JPH0418886B2 - - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】
この発明は過膜とその製造法に関する。
膜とは、ある強さと弾性で特徴付けられ薄く平
たい箔およびフイルムである。それらはプラスチ
ツクスか天然品で構成され、かつその過効果の
ため分離技術分野で非常に意義を有する。たとえ
ば、高分子膜は、逆浸透による脱塩のような工業
的分離工程、透析、限外過、超過などに用い
られている。超過はとくに溶液からの高分子量
物質の分離に用いられている。とくに、微細孔膜
と高圧がこの目的に用いられる。
酢酸セルロースの過膜が最も広く用いられ、
加えて、ポリアミド類、フツ素含有ポリマー類、
またポリ尿素類、スルホン化ポリアリールエーテ
ル類の膜に関心が増えている。これらの材質の膜
類は、異なる物理化学的性質を有する水平面的に
隣近する複数層からなるので、異方性である。た
とえば、それらは厚い多孔質支持層と比較的薄く
て緻密な分離層からなつている。全てのこれらの
層は、ポリマー分子がフエルトの形に配置されて
いる。これらフエルト構造における鎖のインター
バル、鎖のインターバル分布、固定された電荷密
度、極性や膨潤能が膜の重要な性質を決める。か
くして、たとえば特殊な逆浸透膜において、分離
層のポリマー鎖は、個々の水分子に対する溶解効
果が良好にもかかわらず、水群の形成が殆んど起
らないほど平均的に密である。分離層が水和イオ
ンを取り得ないのは同じ理由と想定される。これ
が溶解した塩類に対する高い保持力の根拠であ
る。
膜分離方法は、層転移(たとえば蒸発、蒸留)
による分離方法に比較して、熱力学的に高い有用
な効果を有する。加えて、熱の労費の問題を生じ
ない。しかし、商業スケールでこれらを用いるに
は、なおかなりに未解決の問題がある。
これまで開発された殆んどの過膜の処理量は
非常に低い。これは、とりわけ分離層の過剰な厚
みによるものである。50Å以下の一定の分離層の
厚みが望ましいのである。これは今日普通に用い
られている分離層の厚みに対し、5〜10倍の厚み
減少を意味する。50Åオーダの分離層の厚みにつ
いて、いくつかの報告があるが、問題の厚みの値
は、一般に分離層の最小の厚さであつて、その厚
さには何れの場合にもかなりの変動がある。この
変動は分離層が全て支持層の下層に不整にふくら
んでいる無定形(amorphous)の優つたフエル
ト構造を有するポリマーからなつていることによ
る。過膜の処理量が非常に低い他の理由は、そ
のポーラスな構造が増加する圧力差で圧縮増加を
受けるからである。
不定形の分離層の透過性と処理量は、全ての拡
散係数が間接因により不必要に減少される事実に
より付随的に損なわれる。
これまで開発されたHFMの分離能は特別の場
合を除いて不適切であつた。これは分離層のフエ
ルト構造によるものである。高特異性がないの
は、無定形層を主とする層のポリマー鎖間の間隔
のかなり局部的な変動による。分離層に適用され
る今迄の方法で、ポリマー鎖間を正確に調整して
平均間隔を作り得るものはなかつた。実質的に一
定でかつ正確に調整しうる鎖の間隔を有する分離
層が望ましいのである。
これまで開発された膜の有効寿命は非常に短か
いものである。これは主に所謂“汚れ
(fouling”)によるものである。汚れは分離層の
表面における殆んど負電荷のコロイド状不純物と
微生物の吸着によるものと理解される。この欠点
は、また分離層の不定形構造に一部よるものであ
る。汚れは分離層の表層に負電荷の固定を行うこ
とによつて防止される。この固定電荷の効果によ
り、上記の不純物は静電気的にはじかれる。この
はじき効果は、固定電荷密度が増加と共に増え
る。しかし、架橋又は未架橋の無定形線状ポリエ
レクトロライトで達しうる電荷密度は、理論的に
達しうる最大電荷密度より低い。非常に密な固定
電荷の充填に実質的に相当する負電荷密度が望ま
れる。
一連の特殊なケースでは、高処理量、高分離能
又は長い有効寿命の何れかを示す過膜を作り得
るとされていた。しかし、一つの同じ膜でこれら
の3つの性質を合せ持たせることは不可能であつ
た。その理由はすでに述べたように、主に分離層
の無定形構造によるのである。
多数の過膜とその分離層が文献、特にかなり
最近の次の特許明細書中に記載されている。
最初の逆浸透用過膜は酢酸セルロースで作ら
れ、Loeb−Souriranjanにより開発されている。
これらは、米国特許第3133132号、同第3133137号
と同第3344214号に記載されている。膜は2層、
すなわち活性層(分離層)と基質(支持層)から
できている。これの欠点としては、エステル官能
基の加水分解に対する感受性、高圧による圧縮の
現象や先に挙げた分離層の過剰な厚み(膜の処理
量が悪いのは大部分これによる)がある。
他の形の逆浸透用の2層膜は“ダイナミツク”
膜であつて、この場合分離層は、過膜の開口を
閉じ、使用する箇所でのみ形成させるものである
(米国特許第3462362号)。
元来この種の膜は、直ちに使用できる形に作り
得ない。分離層の性質は閉鎖材の性質によつて変
り、閉鎖工程を比較的ひんぱんに繰り返す必要が
ある。この場合、また分離層は無定形で、前述の
欠点を生ずる。
逆浸透膜で層の数を増す提案もなされている
(米国特許第3556305号)。この方式で興味ある進
歩がなしうる。すなわち、分離層は、かなり一定
の厚みを持つため透析値がかなり改善されてい
る。この結果は、マイクロポーラスなスキンとマ
クロポーラスな基質からなる異方性分離層を接着
剤層を介して拡散膜(支持層)につけることによ
つて達せられている。したがつて、膜は4層構造
である。これら4層は−個々に関していえば−無
定形のフエルト構造である。
他の複合過膜が、米国特許第3648845号に記
載されている。この場合、かなり緻密な分離層
(主に酢酸セルロース)が表層を介してポーラス
な支持体(支持層)に塗布されている。その為、
表層又はカバー層が主として支持層を構成するポ
リマーの支持層への浸透を防ぐ。この様式で比較
的一定の最低厚みの分離層を作り得るが、無定形
構造による他の欠点がやはり存在する。
その後、表層を省略し、膜の構造を簡略化する
試みがなされた(米国特許第3676203号)。この試
みは、非常に特殊な場合に成功することが判明し
ている。ポリアクリル酸の分離層を酢酸セルロー
ス/硝酸セルロース混合物の支持層に塗布するこ
とで可能であつた。しかし、この膜は、エステル
結合の加水分解に対する感受性、分離層の水への
溶解性と膨潤性に基づく欠点のみならず、無定形
構造による公知の欠点をも有するものである。
西ドイツ公開明細書第2557355号には二層の
過膜を開示し、このものは他の好ましい性質に加
えて、最低の分離層厚みを有し、このため中程度
の圧でも逆浸透をよく行えるものといわれる。し
かし、膜の化学的組成と分離層が塗布される工程
からみて、膜の二つの層は無定形であると結論さ
れる。加えて、膜の性能は、開示された図から分
るごとく最適ではない。
再現性のある薄い厚みのポリマーフイルムの製
法が西ドイツ公開明細書第2420846号に記載され
ている。フイルム形成材は線状ポリマー(たとえ
ばシリコン/ポリカーボネートコポリマー)であ
る。これが易揮発性溶剤(たとえばクロロホル
ム)に溶解され、溶剤もポリマーも溶解しない液
体の表面に流し込む。この目的には水が好ましい
ものとして用いられる。溶液が表面に拡がり、溶
剤が蒸発し、フイルムが250Å〜500Å厚さの層の
形で残る。このようにして形成されるフイルムの
穴を減少さすには、繰返して数層を流し込むこと
が推められる。最終的に得られるフイルムは、多
孔性支持体(例えば過膜)に被覆でき、支持体
とで、分離目的に使用しうる実用膜が形成され
る。この場合もまた、実際の分離層は無定形でそ
れによる不利益を伴う。
したがつて、過去においては、過の目的用に
フエルト構造を持つた不定形の分離層の概念から
離れたものはなかつた。これまで、この目的のた
めの高い透過性と高い分離力および永い有効寿命
を合せ有する分離層はなかつた。
したがつて、この発明の目的は、有効寿命が長
くて高い透過性を合せ有し、製造容易で、公知の
膜の欠点を有しない膜を提供することにある。
上記の目的は、生物膜のリポイドフイルムでみ
られる同じ物理化学的原理にもとづき分離層を作
ることによつて達することができる。このリポイ
ドフイルムは、公知実用膜の分離層の無定形フエ
ルト構造と対照的に十分に配列したビロード構造
(velvet structure)を有する。そして、そのフ
イルムは水に対する高透過性と殆んどの塩類に対
して高保持能を示し、低分子物質に対する明確な
透過性を有し、かつ特に非常に薄いものである。
その厚みは、公知の分離層の厚みの1/10以下の
20Å〜40Åであつて、高処理量の実用膜に望まれ
る分離層厚みに相応する。
リポイド分子の配向のために、リポイドフイル
ムはパリセード(palisade)ないしビロード構造
を有し、アルキル鎖の長軸が、膜面に垂直であり
それにより拡散方向に平行である。間接因子は実
質的に無視できる。フイルムの水に対する高透過
性と塩類のようなものに対する高保持能は、リポ
イドのアルキル鎖が可塑化機能を持つ基(二重結
合、側鎖メチル基、シクロプロピル基)を有する
ことによる。これらの基は、リポイド分子が結晶
化するのを防止し、フイルムを二次元液体状態に
保つ。これら液体フイルムにおけるリポイド分子
の充填密度は、一方において個々の水分子をたと
えば通過さすほど荒いが、他方においてフエルト
様構造の無定形分離層におけるごとく水クラスタ
ーの形式ができないほど密である。しかし、フエ
ルト構造と対照的に、個々のリポイド分子間の間
隔は非常に細かく区画され間隔分布は狭いもので
ある。主鎖に適当な側鎖か官能基を導入するとリ
ポイド分子間隔を正確に保持さすことができる。
結果として、リポイドフイルムの分離能が非常に
顕著になる。加えて、問題のリポイドフイルムは
小さな傷を“自己治瘉”し、これは分子の脂肪鎖
間が殆んど疎水結合で占められていることによる
ものであつた。生物膜のリポイド層が光学活性で
あることも指摘される。
しかし、生物膜の透過性はその二分子系リポイ
ド域の透過性によつてのみ決められず、またこれ
らリポイド域が疎水性担体又は細孔分子を溶解ま
たは吸収しうる事実によつても決められない。多
くの場合これらの担体または細孔が、一つの膜表
面から他の表面への小さな分子の非常に選択的で
急速な拡散が促進しうるものである。
かなり最近の研究によつて、人工的な単分子及
び二分子系フイルムが、内部に選択的に透過しう
る通路を有する担体又は分子の導入用のマトリツ
クスとして適することが知られている。この細孔
分子がかなりな程度、全フイルムの透過挙動を決
めるものである。
水表面に関するリポイド単層の研究によれば、
単位面積当り比較的高い圧力下で、末端に固定し
た電荷間の側部間隔は、非常に密な2次元充填の
場合の理論最低間隔に実質的に対応するとされて
いる。この間隔は、単位面積当りの圧を変えるこ
とによりある制限内で連続的に調節しうる。
しかし、生物リポイドフイルムで具体化された
物理化学的建造原理は、多くの理由から実用膜の
分離層に制限や修正を加えることなく適用するこ
とはできない。これは、殆んどの生物膜のリポイ
ドフイルムが所謂“2分子”構造であることによ
る。問題の構造は、リポイド分子の可逆的凝集体
で、その各々は一つの水溶性頭部基と一つの水不
溶性の炭化水素基とを有する。原則的に、凝集体
は界面活性剤のかなり高濃度水溶液における血小
板様ミセルと正確に同じ構造を有する。一般的に
は生物リポイドフイルムは平均PH値と中等度の温
度の媒体中で調整される。このために、リポイド
の化学安定性は特に厳重な要件に合致しない。生
物膜のリポイドフイルムの物理化学的建造原理を
実用膜の分離層に応用する際にリポイドフイルム
の次に挙げる欠点を考慮しなければならない;
(1) 本質的に、2分子系リポイドフイルムは、疎
水性で静電気的結合によつて保持され、かつそ
の結合によつてのみ構成されている。このた
め、これらのフイルムは、基本的に水に可溶
で、その有効寿命が実用目的には不適である。
加えて、リポイド分子が表面活性剤ミセルで溶
解化されるので、リポイドフイルムは界面活性
剤含有水溶液に特に不安定である。なお、実用
操作においては、界面活性剤を避け得ないこと
が多い。
(2) 生物2分子系リポイドフイルムの他の成分の
生物膜への固定は、大部分静電的か疎水性的で
ある。主な結合手は、比較的稀である。分離層
としてのリポイドフイルムを、実用ゲルか支持
層に同様に固定しても、実用上適当な有効寿命
を有する製品を与えない。
(3) 生物リポイドの電荷を有する頭部基は、一般
に加水分解に(コリンリン酸エステル、エタノ
ールアミンリン酸エステルなど)鋭敏であり、
一方生物リポイドフイルムの表面電荷密度はPH
に関係している。この両性質が生物リポイドフ
イルムを実用膜の分離層としての使用を困難に
している。加水分解に対する鋭敏性は、有効寿
命を短かくし、よごれに対する静電的保護は、
一定のPH範囲でのみ達せられる。
実用膜の分離層として使用の妨げとなるこの生
物リポイドフイルムの不安定性を、驚くべきこと
に、次のようにして影響されずに残存するフイル
ムの主な物理化学的性質で減少さすことができ
る。
(1) 2分子フイルムを単官能性リポイド分子から
作る代りに、単分子フイルムを2官能性ないし
多官能性のリポイドまたは界面活性剤から作
る。最近、高度に特殊化された微生物の膜〔サ
ーモプラズマ・アシドフイルム
(Thermoplasma acidphilum、スルホロバ
ス・アシドカルダリウス(Sulfolobus
acidocaldarius)〕で、いくから変形された建
築原理が観察されており、これには非常に低い
PH値と高温とを採用しており、そのため膜は特
に加水分解に耐性である。
(2) 安定な形の単分子分離層の細孔支持層に塗布
するのに用いうる各種の方法の中で、次の2つ
が例示される。
第一に、単又は2官能性リポイドまたは界面
活性剤は、反応基(たとえば2重結合)を利用
して分離層中で互に重合でき、かつ他の官能基
を介し支持層と、かつできればその間にゲル層
を介在させ結合しうる。この場合、自己治瘉力
の損失が基本的であるが、これはこの架橋法で
疎水性リポイド鎖の自由な不安定さを制限する
からである。しかし、この欠点は、二つの疎水
鎖(その内1つのみが重合性の基で、他は分子
内可塑化剤として作用する)を有するリポイド
又は界面活性剤を用いることによつて部分的に
除くことができる。
他の可能性としては、親水性末端基がゲル層
又は支持層に比較的深く浸透する比較的長い反
応性の鎖からなるリポイドまたは界面活性分子
を使用することである。これらの鎖は分離層分
子を架橋し、分離層をゲル層または支持層に固
定する機能をする。したがつて、この工程で、
架橋は分離層の疎水性部分で行われず、そのた
め分離層の自己治瘉力が保持される。
(3) 頭部基の加水分解に対する鋭敏性を避け、か
つPHに影響されない表面電荷密度を得るには、
分離層のリポイドまたは界面活性剤分子が電荷
頭部基として、できればスルホン酸基かホスホ
ン酸基を含むべきである。これらの基はごく僅
かに加水分解に鋭敏であるだけで、酸性溶液で
も解離している。
しかし、固定電荷を持つ分離層表面(又はむし
ろ支持層から離れているリポイドまたは界面活性
分子の末端)を提供する必要性は、膜を水性媒体
中でたとえば脱塩に用いるときのみ生ずるもので
ある。他の場合、すなわち膜を有機媒体中で用い
るときには、固定表面電荷が存在する必要はな
い。このような場合には、生物リポイドの加水分
解鋭敏性は欠点とはならない。したがつて、膜が
有機媒体中での分離に用いられるとすれば、その
分離層は半分2分子リポイド膜の構造を有しても
よく、適当な生物リポイドか、類似の構造の界面
活性剤から直接作ることもできる。したがつて、
その場合分離層は、単分子のリポイドまたは界面
活性剤のフイルムからなり、疎水性末端が分離す
べき有機相に面している。
単分子分離層の製造に光学活性の界面活性剤ま
たは界面活性剤様のリポイドでも使用しうること
は明らかである。単分子分離層のキラル表面は、
界面活性分子を最終的に修正して(実際の分離膜
を作つた後で)、たとえば光学活性のスルトンや
アミノ酸誘導体を反応させて作ることができる。
最後に単分子分離層は、技術的に分子の高輸送
選択性を利用しようとする際に、疎水性担体か細
孔分子を溶解化もしくは導入するためにも用いら
れる。疎水性K+選択担体の周知の例はバリノマ
イシンで、一方K+選択通路を有する疎水性蛋白
分子の例としてはグラミシジノがある。
この発明は分離層が架橋単分子フイルムの分子
からなり、
(a) 未架橋状態の分離層の分子が、少なくとも1
つの疎水鎖と少なくとも1つの親水基を含む表
面活性剤又は表面活性剤様リポイドであり、
(b) 架橋後の分子の疎水鎖が、主に膜面に対し垂
直で拡散方向に平行に配置しており、
(c) 分離層の分子が、その少なくとも1つの疎水
性鎖中の官能基を介して及び/又はその少なく
とも1つの親水基の官能基を介して互に架橋し
ている
ことを特徴とする分離層と支持層を含む超過膜
に関する。
この発明の分離層の過作用は、下記のように
して発現される。
すなわち、例えば表面活性剤の単分子層を水相
と空気との境界に展開すると、分子の頭部基は水
相に、分子の非水溶性鎖は空気に位置する。ここ
で展開分子は水相表面で互いに押し合つて横に密
に位置し分子鎖は水相表面で直立する。この状態
で表面活性剤分子は互いに架橋され、実質的に均
一な2次元構造(水相表面の広がりに対して分子
鎖の長さは無視できる)となる。ここで、各々の
表面活性剤分子は横に整然と配列されているた
め、これらの〓間も整然と配列して存在する。こ
れらの〓間は過のための分離層の細孔となる。
表面活性剤の間の距離よりも小さなすべての分子
は、この細孔を透過し、大きなすべての分子は戻
される。かくして、この発明の分離層は、過膜
として作用する。
最も簡単な場合として、この発明による方法に
は強親水性頭部と疎水性末端を有する界面活性剤
または界面活性剤様のリポイドが用いられる。
しかし、長い疎水性中央部を有し、その一端に
強親水性基を有し、かつ反対の末端に弱親水性基
を有することで特徴付けられる界面活性剤または
界面活性剤様のリポイドも使用可能である。
(1) 一端における強親水基の親水性と他方におけ
る疎水末尾または疎水性中央部の疎水性は、全
体としての界面活性剤分子が水にそれほど溶解
性を持たなくても、水性溶液の表面に、または
水性溶液とそれと混和しない有機液体間の界面
に、ガス帯または有機液体に面している弱親水
基で、膜面に垂直になるように効果的に拡がる
ように互に調整する。
(2) 疎水末尾または疎水中央部は重合しうる基を
含み、そのため少なくとも2つの隣接分子の疎
水中央部と架橋する機会を有し、及び/又は高
親水基は、重合しうる及び/又は付加しうる及
び/又は縮合しうる基を含み、そのため少なく
とも2つの隣接表面活性剤分子の高親水基と、
および水性相に溶解している他の分子と架橋す
る可能性を与え、なお他の分子は界面活性剤分
子及び互に架橋後、膜のゲル層又は支持層を構
成する。
(3) 弱親水基は、より強い親水基と結合するか、
またそれ自体より強い親水基に変換される可能
性がある。すなわち弱親水基は、スルトン酸
基、ホスホン酸基、硫酸基、リン酸基、アミノ
酸基、カルボン酸基、第1、第2又は第3級ア
ミン基、第4級アンモニウム基又は他の強親水
性基と結合の可能性があり、又はそれ自体スル
ホン酸基、ホスホン酸基、硫酸基、リン酸基、
アミノ酸基、カルボン酸基、又は第1、第2又
は第3級アミン基、第4級アンモニウム基、他
の陽電荷基又は他の強親水基に変換されうる。
上記したように界面活性剤または界面活性様リ
ポイドであり、その疎水性末尾か疎水性中央部が
直列又は分枝の炭化水素鎖及び/又は部分的ある
いは完全にハロゲン化された直列又は分枝の炭化
水素鎖又は直列又は分枝のシリコン鎖からなるも
のを使用するのが好ましい。
他の好ましい表面活性剤又は表面活性剤様のリ
ポイドとしては、ゲル層又は支持層に面している
それらの末端において、少なくとも一つの疎水鎖
上または強親水基の近辺で、少なくとも1つのス
ルホン酸基、ホスホン酸基、硫酸基、リン酸基、
カルボン酸基、解離状態で負電荷の他の基、第
1、第2又は第3級アミノ基、第4級アンモニウ
ム基又は他の陽電荷基を含むことによつて区別さ
れるものがある。
他の好ましい表面活性剤又は表面活性剤様のリ
ポイドとしては、炭化水素基の親物質が、トリ、
テトラ及び高級テルペン類、特にカロチノイド類
であるものである。
さらに、疎水性末尾又は疎水性中央部に重合し
うる機能としてジエン基かジアセチレン基を含有
する表面活性剤又は表面活性剤様のリポイドが好
ましい。
他の適切な表面活性剤又は表面活性剤様のリポ
イドとしては、架橋に適する強親水基がモノ、
ジ、トリ又は高級サツカライド類、オン酸類、糖
酸類又はアミノ糖類の各残基、アミノ酸類又はオ
リゴペプチド類の残基、多価アルコール類、アル
デヒド類、カルボン酸類、又はアミン類の各残
基、いくらかのカルボン酸エステル、エポキシ、
エピスルフイドやスルフヒドリル官能基を含む
基、活性化2重結合を含む基(たとえばビニルス
ルトン類)、又はマスクしたイソシアネートを含
む基(たとえばカルボン酸アシド類)であること
により区別されるものが挙げられる。
この発明は、また
(a) 界面活性剤又は界面活性剤様のリポイド分子
を、ある拡がり圧(spreading pressure)下な
いし平均スペースを保持させて水性溶液の表面
上か水性溶液とそれと不混和性の液体との界面
に拡げ、
(b) 界面活性剤又は界面活性剤様のリポイド分子
を互に架橋させ、
(c) このようにして架橋された分離層を支持層又
はゲル層に被覆する
ことを連続的にしかし工程(b)と工程(c)は任意に順
序を変えて行うことを特徴とする超過膜の製造
法に関する。
この発明によれば、(1)界面活性剤分子又は界面
活性剤様のリポイド分子が水性溶液の表面上又は
界面において、ある平均間隔で拡げられ、
(2)拡がつた界面活性剤分子又は界面活性剤様の
リポイド分子が、単分子フイルムの疎水部又は親
水部の何れかで互に架橋され、
(3)任意に、界面活性剤分子又は界面活性剤様の
リポイド分子の弱親水性末端を、スルホン酸基、
ホスホン酸基、硫酸基、リン酸基、アミノ酸基、
カルボン酸基、第1、第2又は第3級アミノ基、
第4級アンモニウム基、他の陽電荷基もしくは他
の強親水基へ変換するか、又はスルホン酸基、ホ
スホン酸基、硫酸基、リン酸基、アミノ酸基、カ
ルボン酸基、第1、第2又は第3級アミン基、第
4級アンモニウム基、他の陽電荷基、又は他の親
水基で開放形又はマスクした形(マスクした親水
基はこの際開放される)の基の何れかを含有する
一つの基を導入し、
かつ(4)架橋分離層を多孔で機械的に安定な支持
層に被覆する、
工程を順次行うことからなる超過膜の製造法が
提供される。
工程の順序は上記のものが絶対的に必須ではな
い。たとえば、界面活性剤分子を架橋前に支持層
に被覆してもよい。各々の場合に選定すべき特定
の順序は、拡散した単分子フイルムの安定性に特
に依存するであろう。不安定な単分子フイルムの
場合に、界面活性分子の弱親水性末端を続いて親
水化する際には分離層を支持層に被覆した後にの
み行うべきである。
加えて、分離層は支持層に直接被覆される必要
はない。代りに多孔性ゲル層を、たとえば支持層
の表面が非常に粗ければ、間にはさむこともでき
る。支持層の多孔が、単分子支持層を別の機械的
支持がないと多孔を補い得ない程の大きさである
場合に、多孔ゲルを支持層の多孔に導入してもよ
い。たとえば超過膜を非常に高圧で機能させた
い場合にこれを行うことが推奨される。
好ましいケースとして、単に分離層を支持層の
上に置いても十分である。これは超過膜を疎水
媒体中に用いる場合である。他のケースとして
は、分離層が再びはがれないようにするため、分
離層・支持(ゲル)層の架橋を行うことが必要で
ある。これは、たとえば超過膜を水性の界面活
性剤含有溶液で使用する場合に推奨される。
分離層の支持層への被覆は異なつた種々の様式
でできる。特定の方法を選択するとき、第一に小
さい膜表面か大きい膜表面を作るべきかどうかに
よるであろう。
小さな膜表面の場合は、ラングミユア法又はブ
ロジツト法によるのが最良である。これらの方法
では、単分子フイルムはサブフエース
(subphase)の表面上のバリヤーで所定の拡がり
圧まで圧縮される。初期においてのみフイルムが
架橋される。多孔支持層に適用する最も簡単な方
法は、多孔支持膜が、水表面直下に僅かな角度
か、平らに配置されてから液レベルを下げること
である。架橋単分子フイルムをそれ自体支持層に
被覆し、存在する水をフイルムと支持層間から流
出さすか、支持層より吸引して蒸発もしくは流出
させ、それで、フイルムが支持層の全面を完全に
覆うことになる。両層は、比較的強固に互に接着
する。この点で、両層は互に架橋されているであ
ろう。さらに、最終工程として、分離層の表面を
更に親水性化することを行いうる。
個々の工程の順序は、また変えて行うことがで
きる。単分子フイルムを最初に支持層に低下させ
て被覆し、次いでそれ自体又は支持体層とともに
架橋させる。
分離層の支持層への被覆で、大きな表面積の膜
の製造に用いうるそれ程精密ではないがより簡単
な方法によれば、ある拡がり圧の調整用のバリヤ
ーをなしで済ませる。代りに、高品質の界面活性
剤を、ロート状上部と疎水壁(例えばPTFE)を
有するトラフ中の溶液の表面へ拡げる。この場
合、液体レベルの低下が、所定面積へ単分子フイ
ルムの圧縮をさせる。被覆すべき界面活性剤量の
測定は、所定面積が、トラフの上部ロート状部が
終りかつ低部の円筒又は柱状部が始まる所を正確
に低下するように正確にしなければならない。さ
らに低下させてもフイルムがさらに圧縮されるこ
とにならない。分離層の支持層への実際の塗布と
架橋反応は上記と同様に行われる。
第3の方法では、支持層が、水性サブフエース
の下からで、かつ一定拡がり圧下の単分子フイル
ムを通して抜き取られる。この場合に、また水が
フイルムと支持層間を流出する。
第4の可能な方法では、支持層が、単分子(架
橋又は未架橋の)界面活性剤にその上部から僅か
な角度で導入され、次の表面の下でその層を圧縮
する。この目的には疎水性支持層の使用が最良で
あることは勿論である。
加えて、界面活性剤が、非極性有機溶媒になお
かつ明瞭に溶解しうるときに採用しうる第5の方
法がある。このケースでは、界面活性剤及び/又
は保護層は反応基を含むべきで、架橋試薬を加え
なくても互に反応できるものであるべきである。
界面活性剤を有機相に溶解し、かつ親水性支持膜
(任意に湿潤)を単に得られる溶液に浸し、そこ
から出す。次いで界面活性剤と支持層表面が互に
反応して単分子表面フイルムを形成する。界面活
性剤として、水の存在下でもそれ自体架橋しうる
ようなものを選択される。
このケースで、架橋分離層が得られる。残りの
操作はすでに説明した通り要求に従つて行われ
る。この方法は支持層の多孔があまり大きくない
か、多孔ゲルで閉鎖されているとき、又は全支持
層がゲル層でコートされているときに用いうる。
支持層をエンドレス・ストリツプの形でコート
するための連続的か半連続的方法に、上記の5つ
の方法の一つが変形しうることも明らかであろ
う。
機械的に安定で多孔性材料は、事実上多孔性支
持層として使用しうる。支持層の選定は、第一
に、分離層と架橋すべきか又はどのように架橋す
べきか、それの化学的・機械的・熱的安定性のど
んな要件が満足さるべきかによつて変る。
この発明による膜は、生物膜のリポイドフイル
ムの高分離能を望ましい動的性質を決める全ての
特徴を有しており、加えて汚れに対して高耐性を
有する。
これらの理由により、この発明の膜は、脱塩、
流出処理、ある観点での石油精製や光学異性体の
分離を含む各種の実用的な分離方法に使用するの
に好適である。
海水の逆浸透(超過)による脱塩は、普通用
いられる蒸留法に比較し、エネルギーの観点より
優れている。膜法は、恒温的なもので、高い蒸発
エンタルピーの代りに、ポンプエネルギーの形の
小量の浸透的な作業である。過去においては、こ
の膜法の蒸留法に対する利点も、処理量が不適当
で有効寿命が短かい欠点のため、海水の脱塩に膜
法を大量スケールでの使用を妨げかつ非常に遅延
させていた。しかし、これまで海水の脱塩に用い
られた膜と比較し、この発明による膜は、かなり
処理量が高く、また有効寿命も改善されており、
したがつて海水から純水を得る大規模な膜法の路
を開くものである。
流止処理(effluent treatment)は、この発明
の超過膜で、更に親水化を行つた高電気的表面
電荷密度の分離層が最も価値を表わす応用分野で
ある。その理由は、この分野では、比較的弱く電
荷した表面又は完全に非電荷表面が膜の耐寿命に
大きな効果を表わすからである。
液体を膜を通して蒸発する(Pervaporation)
有機液体混合物、ことに炭化水素基(C8−混合
物)の分離は、殆んど実験段階を越えていない。
この蒸発法は過法でもあり、蒸留法と正に同様
に相転移によるものである。このため、蒸発法
は、蒸留法とほぼ同じ量のエネルギーを使用す
る。また蒸発法の処理量は蒸留法より低い。しか
し、理論的には、蒸発法は非常に高度の選択性を
示すことができ、これまで蒸発法の実用化が妨げ
られていたのは、選択性に欠けることが第一であ
つた。この発明による膜は、蒸発法の実用化に必
須の高い選択度を有する。蒸発法用の過膜は、
必ずしも2官能性界面活性剤の単分子分離層を有
する必要はない。その理由は、このケースでは汚
れが重要な因子ではなく、分離層が表面陰性電荷
を必要としないからである。したがつて、蒸発膜
は、単官能性界面活性剤からも作ることができ、
このため、このような膜は、ここで問題の過膜
としては最も単純な形であるといえる。
光学異性体をキラル分離層による過によつて
分離する方法は、密にパツクした分離層の実質的
に2次元結晶性質のために、特に高選択性により
特色づけられ、かつ加えて、同じ選択性の対応す
る方法、特に結晶化法よりかなり処理量が多い方
法である。加えて、過は決してむつかしい方法
ではない。分離層を作るには、比較少量の界面活
性剤でよいことから、光学活性の界面活性剤から
の分離層の製造及び/又は当初光学不活性の界面
活性剤に後でω−位にキラル化することは、何れ
も特に費用のかかるものではない。
この発明による膜の分離層は一般に20〜60Å、
好ましくは20〜50Å、最も好ましくは20〜40Å厚
みである。必要により、この分離層はかなりより
薄くてもよい。しかし、分離層が50Åの厚みで十
分強く、かく良好な分離能を示すのが、この発明
の膜の特別な利点である。
支持層は0.05mm〜1.0mm厚み、好ましくは0.1mm
厚みであり、必要により薄くても又厚くてもよ
い。
この発明による膜、ならびに、“フエルト構造
を持つた分離層”、“ビロード構造を持つた分離
層”、“2分子フイルム”、単分子フイルム”、“支
持層”、“ゲル層”、“単官能性リポイド”、2官能
性及び多官能性リポイド”などの用語は、添付の
第1〜11図を参照して説明される。
第1図は通常の膜の横断面で、フエルト構造を
持つた分離層1が、粗−多孔の支持層2に被覆さ
れている。
第2図はこの発明の膜の横断面で、ビロード構
造を持つた分離層3が粗−多孔の支持層2に被覆
されている。
第3図はこの発明の他の膜の横断面で、ビロー
ド構造を持つた分離層3が、細孔のゲル層4に被
覆され、それが粗多孔支持層2に被覆されてい
る。
第4図は、単官能性リポイド又は界面活性剤の
2分子フイルムの横断面図で、官能基(丸の部
分)は親水基である。
第5〜8図は単分子フイルムの横断面図であ
る。第5図は単官能性リポイド又は界面活性剤の
単分子フイルムで官能基(丸の部分)は親水基で
ある。第6図は2官能性リポイド又は界面活性剤
の単分子フイルムで官能基(丸の部分)は官能基
である。第7図はトリ官能性リポイド又は界面活
性剤の単分子フイルムで2つの同じ官能基(丸の
部分)は親水性で、第3の官能基(尾の部分)は
他の親水残基である。第8図は3官能性リポイド
又は界面活性剤の架橋した単分子フイルムで2つ
の同じ官能基(丸の部分)は親水基、第3の官能
基がフイルムの疎水部分での架橋に用いられてい
る。
第9〜11図は支持層が固定されたこの発明の
分離層の横断図である。
第9図は3官能性のリポイド又は界面活性剤の
架橋した単分子フイルムを示す。2つの官能基
(丸)は親水基で、第3の官能基(この場合他の
親水基)は、フイルムの親水基での架橋のために
用いられている。
第10図は3官能性のリポイド又は界面活性剤
の架橋した単分子フイルムを示し、二つの同じ官
能基(丸)は親水基で、第3の基は他の親水基で
ある。架橋は、サブフエース(ゲル又は支持層)
のマクロ分子で行われている。
第11図は2官能性のリポイド又は界面活性剤
の架橋した単分子フイルムを示す。分子は固定電
荷(丸)と他の親水基を有し、それを通してサブ
フエース(ゲル又は支持層)のマクロ分子と架橋
している。このリポイド又は界面活性剤の疎水基
は、分離層の表面で露出されている。
次の観察から、界面活性剤に関してなされたも
のは、分離層の製造に用いられる界面活性剤、な
らびに分離層に含まれる界面活性剤に適用され
る。次に用いる“界面活性剤”は、界面活性剤様
のリポイドを含むものである。“界面活性剤”は、
リポイドが脂肪様物質であるので、界面的に活性
化合物であると一般的に理解されている。したが
つて、界面活性剤様のリポイドは、界面的に活性
で、脂肪様物質である。分離層と支持層との間に
ゲル層を導入することは、次の場合に必要であ
る。すなわち、支持層の孔直径が、架橋分離層で
つなげ得ないとき、架橋分離層がそれ自体で機械
的に十分に安定でないときである。ゲル層は、支
持層を構成する材料と同じものであつてもよい
が、ただしその孔直径は十分に小さいものである
べきである。次の説明は、膜のゲル層が支持層と
分けて表現されていないが、支持層の1部を構成
している。
文献には、リポイドについて疎水中央部と2つ
の異なる親水末端基を含む、より強い親水末端基
が少なくとも二つの同じ分子の対応する基と架橋
することが記載しているが、実用目的には使用さ
れていない(Biochimica et Biophysica Acta,
360(1974)217〜229、487(1977)37〜50)。
疎水中央部は、直鎖又は分枝鎖のアルキル、ア
ルケニル、アルキニル基のような直鎖又は分枝鎖
の脂肪族基であつてもよい。疎水中央部の脂肪族
基におけるいくらかの水素原子又は全ての水素原
子は、弗素原子又はハロゲン原子で置換されてい
てもよい。
加えて、疎水中央部の鎖は、酸素原子で中断さ
れていてもよい。疎水中央部は1以上の2重結合
が3重結合を含んでもよい。いくつかの2重又は
3重結合を含む場合に、それらは共役しているの
が好ましい。加えて、疎水中央部は、同時に2重
結合と3重結合を含んでいてもよい。
また疎水中央部は、脂肪族と芳香族の混合基を
含んでもよい。疎水中央部がかかる混合基を含ん
でも、これは脂肪族部として上記の定義が適用さ
れる。疎水中央部の芳香族基は、フエニレン基や
ナフタレン基のようなもので形成しうる。
疎水中央部は、2つの平行な脂肪族鎖、平行な
芳香族鎖又は芳香/脂肪族鎖で構成されていても
よい。これらの鎖は互に結していてもよい。
次に疎水中央部の例を示す。疎水中央部は、た
とえば直鎖状の(a),(f),(g)、分枝状の(b),(c)の脂
肪族基、芳香/脂肪族基である。末端で互に結合
した二つの平行な鎖(d),(e),(g)であつてもよい。
(a) X−(CH2)o−Y (n=12−44)
(b) X−〔CH2−CH(CH3)−CH2−CH2〕o−Y
(n=4−12)
(f) X−(CH2)o−C≡C−C≡C−(CH2)o−Y
(n=6−22)
上記の例(a)〜(g)で、Yは強親水基、Xは弱親水
基を表わす、例(a)〜(e)では、強親水基Yを介して
互に及び支持層の分子と架橋している界面活性剤
である。例(f)と(g)は疎水性中央部の官能部で架橋
する界面活性剤である。これらのケースでは、支
持層との結合は、強親水基Yを通じて行われる。
例(g)では、界面活性剤は、可塑化材として第2
の炭化水素を含む。例(e)は、テルモプラズマ・ア
シドフイルムの膜リポイドに類似の炭化水素骨格
である。疎水中央部の炭素原子数は、生物膜リポ
イド中の炭素原子数と釣合つている。生物リポイ
ドの疎水末端はほぼ12〜22の炭素原子を含む。し
たがつて、2分子系リポイドフイルムの厚みは、
ほぼ24〜44の炭素原子に相当する。したがつて、
この発明による界面活性剤の疎水中央部(炭化水
素基で形成されている場合)は、44までの炭素原
子好ましくは36までの炭素原子を含む。疎水中央
部が部分的に弗素化炭化水素または完全に弗素化
された炭素で形成されている場合、炭素原子数
は、かなり低くてもよい。例(a)〜(g)は完全なリス
トを示すものではない。
式(a)〜(g)で、脂肪族基の水素原子は完全に又は
部分的に弗素原子で置換されていてもよい。
式(a)と(d)で、nは12〜44、好ましくは18〜40、
より好ましくは24〜36である。
式(g)で、mは式(a)と(d)中のnと同じ意味を有す
る。
式(b)で、nは4〜12、好ましくは6〜10、より
好ましくくは7〜9である。
式(c)で、nは3〜14、好ましくは6〜12、より
好ましくは9か10である。
式(e)で、nは4〜10、好ましくは7〜9で、よ
り好ましくは8である。
式(f)で、nは6〜22、好ましくは8〜18で、よ
り好ましくは10〜16である。
界面活性剤の強親水基Yとしては次のものが挙
げられる。モノ、ジ又は高級オリゴサツカライド
の残基(たとえば、ヘキソース類、ヘプチユロー
ス類、オクトロース頼、およびサツカロース、ラ
クトース、マルトース、ラフイノースの各残基)、
多価アルコールの残基(たとえば、ヘキシトール
類、ヘプチトール類、オクチトール類やポリビニ
ルアルコールの各残基)、ポリアミンの残基(た
とえばポリビニルアミンの残基)いくらかの反応
性末端基を含むモノ、ジ、トリ又はオリゴペプチ
ド残基(例えば、ポリセリン、ポリリジン、ポリ
ヒドロキシプロリン、ポリオルニチン残基等)。
また、糖分子でエーテル橋を介して互に結合し
たものの残基であつてもよい。その他可能なもの
としては、エピクロルヒドリンとグリシドールの
短かい鎖状の縮合物がある。以上のリストも完全
なものと理解すべきではない。強親水基を、それ
と隣接している少なくとも2つの界面活性剤分子
と同時に架橋し得、任意にサブフエースのポリマ
ー分子と同時に架橋できる程度の多くの反応性基
を自由に使えるように有することが、重要な因子
である。
界面活性剤で、弱親水基Xとしては、たとえば
−OH、−NH2、−SH、−CHO、−COCH3、−CH
=CH−COOR、−CH=CH2、【式】
−CN、−CON3、−COOR、−SR、−S−SR、−
SCN又はハロゲン原子(クロル、ブロム、ヨー
ド)が挙げられる。これも完全なリストアツプで
はない。特別の条件下では、−COO基も弱親水基
として使用に適する。弱親水基は、負固定の電荷
か他の親水基に変換しうることができるか、負固
定の電荷又は他の親水基含有の基に拡げられるも
のであることが重要な因子である。問題の基は、
スルホン酸のアニオンであるのが好ましい。
用語“水に感知しうる溶解性がない”とは、水
性相の表面に適用される界面活性剤分子が該表面
に残りかつ水性相に少しとしても“感知しうるほ
ど”に溶解しないことを意味する。水性相への溶
解は、できるだけ10-6モル/以下、好ましくは
10-8モル/であるべきである。単分子系界面活
性剤層が水性相と有機相との界面に形成される
と、有機相への溶解性もできるだけ低くあるべき
である。
用法“拡がる、展延(spreading)”とは、当該
分野の専門家に熟知の界面化学における特殊用語
である。これは、表面が動きうる分子が、あるガ
ス分子がその動きがしうる全ての容積を取ると同
じように、その動きのため完全に表面を占有する
ことを意味する。形式上、表面に拡がつた分子
は、2次元ガスと同じ様に行動する。
拡がつた分子間の平均間隔は、表面積cm2当りの
分子数から推論しうる。この間隔は、前もつて、
ある数の分子の拡がりに可能な表面積から測定で
きる。拡がりは、必ずしも液相とガス相との界面
で行われる必要はなく、2つの不混和性液体、た
とえば水と石油の界面で行われてもよい。拡がり
実験から、水表面に垂直に位置させた比較的長い
直鎖状の脂肪酸又は炭化水素の必要とする最低表
面積はほぼ25Å2である。したがつて、ほぼ4・
1018分子が、かような分子の薄い敷物で1m2の表
面を覆うのに必要とされる。界面活性剤で必要と
される表面積は、その疎水部の炭化水素鎖当り約
25Å2である。炭化水素鎖が分枝又はハロゲン化
されているとき、またそれらがたとえば芳香環を
含むときは、必要とする表面積は対応して大きく
なる。界面活性剤の強親水性末端基がその分子の
疎水部より大きな容積であるとすると、疎水基が
分子で占有される表面積を決める。分子の水性相
への溶解性(また有機相があるとすればそれへの
溶解性)や容器壁での吸収密度が知られれば、水
性相の表面又は界面での界面活性剤分子数は正確
に前もつて決め得るし、また実験的に調整でき
る。これは、2相への溶解性と容器壁での吸収密
度が零であるとき簡便である。次いで、界面活性
剤を易揮発性又は水溶性の溶媒又は溶媒混合物
(たとえばエタノール、又はクロロホルム/メタ
ノール)に溶解し、得られる溶液を注意深く、表
面又は界面に滴下する。溶媒が接合相で消失し、
界面活性剤が表面又は界面に残る。
この発明による方法に用いる原料として適する
ものに、リポイド類、それから得られるもの、こ
とに微生物膜、特にテルモプラズマ・アシドフイ
ルムやスルホロバス・アシドカルダリウムの膜か
ら得られた界面活性剤の疎水性親物質類がある。
最高の環境条件下(微生物の至適生育はPH2.0、
59℃)で得られる。微生物テルモプラズマ・アシ
ドフイルムの細胞膜は機械的に非常に高い安定性
と、高物理・化学的耐性を示す。これは、これま
で研究された全ての生物膜と区別される点であ
る。
これらの膜の最も重要な構造要素は、2官能性
リポイドで、これは酸・温度耐性を与える。この
リポイドが全膜に広がり、次式の構造特性を有す
る。
このリポイド(以後DGTEと称す)は、この
発明の方法の原料として用いうる。これはこの発
明の膜の基本単位として特に有利である。疎水要
素と極性頭部基間のエーテル様の結合が酸に対す
る高い抵抗性を与える。生物オリジンの他のリポ
イドにある2重結合に、鎖の分枝化を機械的に行
うと、酸化性の鎖の分解の危険が避けられる。分
子中央部の疎水帯は、共有結合で互に結合でき
る。
DGTEは、膜骨格を異なる定量割合で形成す
る変動数の単位である。細胞の内部に面する分子
の末端は、配置として遊離の1級アルコール基を
有するので、外に配位した基は、異なる大きさと
極性の置換基を持ちうる。
ホスホリルモノグリコシル残基を含むホスホリ
ポイドは、定量的に多い。加えて、いくつかの他
のアニオン性ホスフイリポイドも少量存在する。
リポポリサツカライド(置換分がグリコース区
分と24のマンノース残基を含む直鎖状ポリサツカ
ライドからなる)は、この発明の方法に特に興味
のある原料である。この場合、グルコースが
DGTEとポリマンノース間の橋を形成している。
酸素的に−Glu−Man−Man残基よりマンノー
ス残基を切断しうる。このトリグリコシル・ジグ
リセロール・テトラエーテルは比較的分離し易
い。この物質は水に非常によく拡がり、サブフエ
ース中で架橋しうるので、この発明の方法に特に
興味のあるものである。
DGTE含有リポイドは、細胞の全リポイド区
分中40%以上含まれる。このものは、容易に単離
し、洗浄できるので、方法の大量培養及び最良化
を行えば、適量の各々のリポイド区分が入手しう
る。
生体膜からのリポイドの回収およびその性質に
関しては、Tomas A、Langworthy;Biochem.
Biophys.Acta(Amsterdam)487(1977)、37〜
50頁が参照される。
次にこの発明を実施例で説明する。
実施例 1
ジアセチレン基を有する界面活性剤を展延し
(spread)重合させることにより過分離用単
分子の製造
式:CH3−(CH2)12−C≡C−C≡C−
(CH2)8−COOHで表されるヘキサコサ10,12−
ジイン−1−酸のクロロホルム溶液(1mg/ml溶
液)を、ラングミユアタンク中に入れた水の表面
に展延した。溶媒を蒸発させた後(5分)、残つ
た単分子系フイルムを20℃で15ダイン/cmの圧力
迄圧縮した。このフイルムに紫外線(254nm)を
6分間照射して重合させた。水面を下げることに
よつて、上記フイルムを、再生セルロースの異方
性限外過膜〔Sartorius(ザルトリウス)社製、
特製品〕の多孔性支持体上にのせた。
実施例 2
アクリル酸エステル基を有する界面活性剤と
メタクリル酸エステル基を有する界面活性剤と
を展延して重合させることによる過分離用単
分子層の製造
式(I):【式】で
表される化合物0.95mgと、
式():
で表される化合物0.05mgを1mlのクロロホルムに
溶解した。実施例1と同様に、この溶液をラング
ミユアタンク内の水面上に20℃で展延し、クロロ
ホルムを蒸発させた後、20ダイン/cmの圧力迄圧
縮した。次いで実施例1と同様にこのフイルムに
紫外線(254nm)を照射して重合させた。水面を
下げることによつて、このフイルムをセルロース
トリアセテートの異方性限外過膜(ザルトリウ
ス社製、SM14539)にのせた。
実施例 3
過分離用単分子層の多孔性支持体への固着
実施例1で用いたカルボン酸に加えてその5重
量%の式:CH3(CH2)12−C≡C−C≡C−
(CH2)8−O−OP(OH)2、〔ペンタコサー9,10
−ジイン−1−オールのモノリン酸エステル〕を
追加する以外、実施例1と同様のクロロホルム溶
液を作製し、実施例1と同じ操作を行つた。得ら
れたフイルムを重合させ、実施例1と同じしかた
で再生セルロースの異方性限外過膜(ザルトリ
ウス社製、特製品)上にのせた。次いでこの膜を
ラングミユアタンクから取り出し、乾燥機内で1
時間30℃で硬化させた(tempered)。この操作に
よつて分離層が支持体に固着される。
実施例 4
過分離用単分子層の多孔性支持体への固着
式(I)と()の化合物をクロロホルム1ml
当りそれぞれ0.80mgと0.20mg溶解する以外、実施
例2と同様の操作を行つた。使用した支持膜はセ
ルロースジアセテートの異方性限外過膜であ
り、沸騰硫化エチレン(56℃)の蒸気で処理され
たものである(遊離ヒドロキシ基1モル当り1モ
ルの硫化エチレン)。この単分子フイルムを重合
させた後に上記支持層にのせ、次いで気体のトリ
メチルアミンの存在下室温で湿潤室中で、重合さ
せた該フイルムを支持体に固着させた。この方法
は15分を超えない時間で行うことができた。
実施例 5
親水性表面を有する過分離用単分子層の製
造と該層の多孔性支持体への固着
式():
の化合物と、
式():CH3−(CH2)12−C≡C−C≡C−
(CH2)8−COOHの化合物とを、クロロホルム1
ml当り全量が1mgで1:1のモル比でクロロホル
ムに溶解した。ラングミユアタンク内の水性下層
(subphase)はPH8に調整しておいて上記溶液を
ラングミユアタンク内の水性下層上に展延させ溶
媒を蒸発させた後、得られたフイルムを15ダイ
ン/cm迄圧縮した。次いで、セルロースジアセテ
ートの異方性限外過膜をラングミユアタンクの
下層中に一定の広がり圧(spreading pressure)
下で、上から下げることによつて、上記未重合の
フイルムを該支持膜上に移動させた(浸漬もしく
はスタンピング工程)。ここで、「広がり圧」と
は、純液体(水相)表面の表面張力と、表面活性
剤分子でカバーされた液体の表面張力との差に相
当する。この差は、水相表面に拡がつた、架橋前
の表面活性剤の2次元方向への熱力学的運動(ガ
ス分子が容器中で3次元方向に運動するのと同
様)によるものである。次いで紫外線を照射する
ことによつて、フイルムを重合させると同時に支
持膜に固着させた。
実施例 6
展延させた、ヒドロキシ基を有する界面活性
剤を架橋結合させることによる過分離用単分
子層の製造
2部のクロロホルムと1部のメタノールの混合
物によるn−オクタデシルグルコンアミド溶液
(0.4mg/ml)を50℃で作製した。この溶液をラン
グミユアタンクに展延させ、溶媒を蒸発させた後
16ダイン/cmの迄圧縮した。このフイルムは安定
したものであり、このフイルムを、水のレベルを
下げることによつてセルロースジアセテートの異
方性限外過膜にのせた。次いでこの膜を湿潤室
内で気体のエピクロロヒドリンを用い20℃で12時
間かけて固着した。この方法によれば、単分子フ
イルムは支持膜に架橋結合して固着される。
実施例 7
アミノ基を有する界面活性剤とヒドロキシ基
を有する界面活性剤を同時に展延して架橋させ
ることによつて超過分離用単分子層の製造
クロロホルム:メチルアルコール(2:1)の
混合溶媒1ml当りに0.24mgのオクタデシルアミン
と0.40mgのn−オクタデシルグルコンアミドとを
溶解した溶液を用いる以外、実施例6と同様の操
作がなされた。この溶液から得られたフイルムは
30ダイン/cmでは液体であつた。このフイルムを
セルロースジアセテートの異方性限界過膜にの
せた後この膜をまず20℃で70時間気体のエピクロ
ロヒドリンで予備固着を行い、次いで、1%ヘキ
サメチレンジイソシアネートのトリクロロエチレ
ン溶液中に室温で10分間浸漬することによつて固
着を完了した。
実施例 8
ヒドロキシ基を有する界面活性剤を展延し架
橋結合させることによる負の表面電荷を有する
過分離用単分子層の製造
ω−ブロモ−オクタデシルグルコンアミドのク
ロロホルム/メタノール(2:1)混合溶媒によ
る溶液を用いる以外、最初は実施例6と同様に操
作した。フイルムを限外過膜にのせた後、その
フイルムを気体のエピクロロヒドリンで予備固着
し、実施例と同じしかたでヘキサメチレンジイソ
シアネートで固着を完了した。次いで膜全体を水
全体で洗い、5%NaSH水溶液で40℃30分間処理
し、再度洗浄し、5%プロパンスルトンのトルエ
ン溶液に10分間40℃で浸漬し、最後にもう一度水
で洗つた。
実施例 9
極性でキラルの表面を有する過分離用単分
子層の製造
膜をdl−1−メチルプロパンスルトンで処理す
る以外実施例8と同様に行つて製造した。
実施例 10
界面活性剤の展延層とポリビニルアルコール
(PVA)のゲル層とを架橋結合させることによ
る過分離用単分子膜の製造
ガラス板を公知法によつてCd2+アラキネート
の単分子層で被覆して疎水性にした。このように
して製造された板を、30ダイン/cmで展延させた
オクタデシルグルコンアミドとオクタデシルアミ
ンとの単分子フイルム(実施例7参照)を介し
て、2.4cm/秒の速度で水性下層に上部から完全
に浸漬させた。液表面に残つた単分子フイルムを
除去した後、その板を再度取り出した。この板は
異なつた単分子フイルムで被覆されている。この
板を短時間で乾燥し次いで20%PVA水溶液に浸
漬した。さらに5分後、板をPVA水溶液から取
り出し、付着した液をきるためにさらに5分間そ
の上端からつるした。その後まだ付着している
PVA溶液を板の下端から紙で除去し、次いで
板を乾燥器中シリカゲル上で乾燥した。次いでこ
の板を気体のヘキサメチレンジイソシアネートを
充満させた室に導入して15分間いれておいた。次
いで架橋結合されたPVA−界面活性剤層をガラ
ス板からはずして水で洗浄した。
実施例 11
気体分離のための分離用2分子層を有する中
空繊維の製造
多孔性ポリプロピレンの中空繊維を、20ダイ
ン/cmの圧力下0℃で展延させたヘキサコサ10,
12−ジイン−1−酸の単分子フイルムを介して、
1g/のCdCl2含有の水性下層中に2.4cm/秒の速
度で浸漬させた。完全に浸漬させた後、同じ圧力
下で再度引き上げ、付着した下層液をきるため該
繊維の最下端を下層中に5分間残しておき次いで
完全に取り出した。その後もまだ中空繊維の端に
付着している液を紙で除去した。次いでこの中
空繊維表面上の2分子フイルムを、紫外線開口ラ
ジエーター(4000mW/cm2)の前で該繊維をゆつ
くり回転させて1分間架橋結合させた。
これらの実施例は代表的なものであり、この発
明を限定するものではない。 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a membrane and its manufacturing method. Membranes are thin, flat foils and films characterized by a certain strength and elasticity. They are composed of plastics or natural products and are of great significance in the field of separation technology due to their effectiveness. For example, polymeric membranes are used in industrial separation processes such as desalination by reverse osmosis, dialysis, ultrafiltration, and excess. Excesses are used in particular for the separation of high molecular weight substances from solutions. In particular, microporous membranes and high pressures are used for this purpose. Cellulose acetate membranes are the most widely used,
In addition, polyamides, fluorine-containing polymers,
There is also increasing interest in membranes made of polyureas and sulfonated polyarylethers. Membranes of these materials are anisotropic because they consist of multiple horizontally adjacent layers with different physicochemical properties. For example, they consist of a thick porous support layer and a relatively thin, dense separation layer. All these layers have polymer molecules arranged in the form of a felt. The chain spacing, chain interval distribution, fixed charge density, polarity, and swelling ability of these felt structures determine important properties of the membrane. Thus, for example, in special reverse osmosis membranes, the polymer chains of the separating layer are so dense on average that, despite a good dissolution effect on individual water molecules, the formation of water groups hardly occurs. It is assumed that the separation layer cannot take hydrated ions for the same reason. This is the basis for the high retention power for dissolved salts. Membrane separation methods include layer transitions (e.g. evaporation, distillation)
It has a thermodynamically higher useful effect compared to the separation method by . In addition, there is no problem of heating labor costs. However, there are still considerable unresolved problems in their use on a commercial scale. The throughput of most membranes developed to date is very low. This is due, inter alia, to the excessive thickness of the separating layer. A constant separation layer thickness of 50 Å or less is desirable. This represents a thickness reduction of 5 to 10 times compared to the separation layer thickness commonly used today. Although there are several reports on the thickness of the separation layer on the order of 50 Å, the thickness value in question is generally the minimum thickness of the separation layer, and in all cases there is considerable variation in the thickness. be. This variation is due to the fact that the separating layers are all comprised of polymers with an amorphous, predominantly felt structure that bulges irregularly beneath the support layer. Another reason why the throughput of membranes is so low is that their porous structure undergoes increased compression with increasing pressure differential. The permeability and throughput of amorphous separation layers are concomitantly compromised by the fact that all diffusion coefficients are unnecessarily reduced by indirect factors. The separation performance of HFM developed so far has been inadequate except in special cases. This is due to the felt structure of the separation layer. The lack of high specificity is due to fairly local variations in the spacing between polymer chains in the predominantly amorphous layers. None of the methods applied to the separation layer to date have been able to precisely adjust the average spacing between polymer chains. A separation layer having a substantially constant and precisely adjustable chain spacing is desirable. Membranes developed so far have a very short useful life. This is mainly due to so-called "fouling". It is understood that the fouling is due to the adsorption of mostly negatively charged colloidal impurities and microorganisms on the surface of the separation layer. This drawback is also due in part to the amorphous structure of the separation layer. Fouling is prevented by fixing negative charges on the surface layer of the separation layer. Due to the effect of this fixed charge, the above impurities are electrostatically repelled. This repelling effect increases with increasing fixed charge density. However, the charge density that can be achieved with crosslinked or uncrosslinked amorphous linear polyelectrolytes is lower than the maximum charge density that can be theoretically achieved. A negative charge density substantially corresponding to a very dense fixed charge packing is desired. In a series of special cases, it was believed that membranes could be created that exhibited either high throughput, high resolution, or long useful life. However, it has been impossible to combine these three properties in one and the same film. As mentioned above, the reason for this is mainly due to the amorphous structure of the separation layer. A large number of membranes and their separation layers are described in the literature, in particular in the following fairly recent patent specifications: US Pat. The first reverse osmosis membranes were made of cellulose acetate and were developed by Loeb-Souriranjan.
These are described in US Pat. No. 3,133,132, US Pat. No. 3,133,137 and US Pat. No. 3,344,214. The membrane has two layers,
That is, it is made up of an active layer (separation layer) and a substrate (support layer). Disadvantages of this include the susceptibility of the ester function to hydrolysis, the phenomenon of compaction due to high pressures and the above-mentioned excessive thickness of the separation layer (which largely accounts for the poor throughput of the membrane). Another type of double-layer membrane for reverse osmosis is “Dynamic”
A membrane in which the separation layer closes the opening of the membrane and is formed only at the point of use (US Pat. No. 3,462,362). Originally, this type of membrane could not be made into a ready-to-use form. The nature of the separation layer will depend on the nature of the closure material, and the closure process will need to be repeated relatively frequently. In this case also the separating layer is amorphous, giving rise to the disadvantages mentioned above. Proposals have also been made to increase the number of layers in reverse osmosis membranes (US Pat. No. 3,556,305). Interesting advances can be made in this way. That is, the separation layer has a fairly constant thickness, which significantly improves the dialysis value. This result is achieved by attaching an anisotropic separation layer consisting of a microporous skin and a macroporous matrix to the diffusion membrane (supporting layer) via an adhesive layer. Therefore, the membrane has a four-layer structure. These four layers are - individually speaking - an amorphous felt structure. Other composite membranes are described in US Pat. No. 3,648,845. In this case, a fairly dense separating layer (mainly cellulose acetate) is applied to a porous support (supporting layer) via a surface layer. For that reason,
The surface layer or cover layer mainly prevents the polymer constituting the support layer from penetrating into the support layer. Although separation layers of relatively constant minimum thickness can be created in this manner, other drawbacks due to the amorphous structure still exist. Subsequently, attempts were made to simplify the membrane structure by omitting the surface layer (US Pat. No. 3,676,203). This attempt has proven successful in very specific cases. This was possible by applying a separate layer of polyacrylic acid to a support layer of a cellulose acetate/cellulose nitrate mixture. However, this membrane has disadvantages not only due to the susceptibility of the ester bonds to hydrolysis and the water solubility and swelling properties of the separating layer, but also the well-known disadvantages due to its amorphous structure. German Published Application No. 2557355 discloses a two-layer membrane which, in addition to other favorable properties, has a minimum separating layer thickness and is therefore capable of good reverse osmosis even at moderate pressures. It is said to be a thing. However, given the chemical composition of the membrane and the process by which the separating layer is applied, it is concluded that the two layers of the membrane are amorphous. In addition, the performance of the membrane is not optimal as can be seen from the disclosed figures. A method for producing reproducibly thin polymer films is described in DE 24 20 846 A1. The film-forming material is a linear polymer (eg, a silicone/polycarbonate copolymer). This is dissolved in a readily volatile solvent (eg chloroform) and poured onto the surface of a liquid in which neither the solvent nor the polymer dissolves. Water is preferably used for this purpose. The solution spreads over the surface and the solvent evaporates, leaving a film in the form of a 250 Å to 500 Å thick layer. To reduce the holes in the film thus formed, it is recommended to pour several layers repeatedly. The final film can be coated onto a porous support (for example a permembrane), with which it forms a practical membrane that can be used for separation purposes. Again, the actual separating layer is amorphous, with its disadvantages. In the past, therefore, there was no departure from the concept of an amorphous separation layer with a felt structure for the purpose. Hitherto, there has been no separating layer for this purpose that combines high permeability with high separating power and long service life. It is therefore an object of the invention to provide a membrane which combines a long service life with high permeability, is easy to manufacture and does not have the disadvantages of known membranes. The above objectives can be achieved by creating a separation layer based on the same physicochemical principles found in lipoidal films of biofilms. This lipoid film has a well-aligned velvet structure in contrast to the amorphous felt structure of the separation layer of known practical membranes. The film exhibits high permeability to water, high retention capacity for most salts, clear permeability to low-molecular substances, and is especially very thin.
Its thickness is 1/10 or less of the thickness of a known separation layer.
The thickness is 20 Å to 40 Å, which corresponds to the separation layer thickness desired for practical membranes with high throughput. Due to the orientation of the lipoid molecules, the lipoid film has a palisade or velvet structure, with the long axes of the alkyl chains perpendicular to the membrane plane and thus parallel to the direction of diffusion. Indirect factors are virtually negligible. The film's high permeability to water and high ability to retain substances such as salts are due to the fact that the alkyl chain of the lipoid has a group with a plasticizing function (double bond, side chain methyl group, cyclopropyl group). These groups prevent the lipoid molecules from crystallizing and keep the film in a two-dimensional liquid state. The packing density of the lipoid molecules in these liquid films is on the one hand coarse enough to allow individual water molecules to pass through, but on the other hand so dense as to prevent the formation of water clusters, such as in an amorphous separation layer of a felt-like structure. However, in contrast to the felt structure, the spacing between individual lipoid molecules is very finely divided and the spacing distribution is narrow. By introducing appropriate side chains or functional groups into the main chain, the spacing between lipoid molecules can be maintained accurately.
As a result, the separation power of lipoid films becomes very significant. In addition, the lipoid film in question "self-healed" small wounds because the molecules' fatty chains were mostly occupied by hydrophobic bonds. It is also noted that the lipoid layer of biofilms is optically active. However, the permeability of a biofilm is determined not only by the permeability of its bimolecular lipoid regions, but also by the fact that these lipoid regions can dissolve or absorb hydrophobic carriers or pore molecules. do not have. It is often these carriers or pores that can facilitate highly selective and rapid diffusion of small molecules from one membrane surface to another. It is known from fairly recent research that artificial monomolecular and bimolecular films are suitable as carriers or matrices for the introduction of molecules with selectively permeable channels therein. This pore molecule determines, to a large extent, the permeation behavior of the entire film. According to studies of lipoid monolayers on water surfaces,
Under relatively high pressures per unit area, the lateral spacing between the terminally fixed charges is said to substantially correspond to the theoretical minimum spacing for very dense two-dimensional packing. This distance can be continuously adjusted within certain limits by varying the pressure per unit area. However, the physicochemical construction principles embodied in biolipoid films cannot be applied without restriction or modification to separation layers in practical membranes for a number of reasons. This is because most lipoid films in biological membranes have a so-called "bimolecular" structure. The structure in question is a reversible aggregate of lipoid molecules, each of which has one water-soluble head group and one water-insoluble hydrocarbon group. In principle, the aggregates have exactly the same structure as platelet-like micelles in fairly concentrated aqueous solutions of surfactants. Generally, biological lipoid films are conditioned in a medium with average PH value and moderate temperature. For this reason, the chemical stability of lipoids does not meet particularly stringent requirements. When applying the physicochemical construction principles of biofilm lipoid films to the separation layer of practical membranes, the following drawbacks of lipoid films must be considered: (1) Essentially, bimolecular lipoid films are Hydrophobic, held together by electrostatic bonds, and constituted solely by those bonds. For this reason, these films are essentially soluble in water and their useful life is unsuitable for practical purposes.
In addition, lipoid films are particularly unstable in surfactant-containing aqueous solutions because the lipoid molecules are solubilized in the surfactant micelles. In addition, in practical operations, surfactants are often unavoidable. (2) The fixation of other components of biological bimolecular lipoid films to biological membranes is mostly electrostatic or hydrophobic. Major bonds are relatively rare. Similarly fixing a lipoid film as a separation layer to a practical gel or support layer does not provide a product with a useful life that is adequate in practice. (3) The charged head groups of biological lipoids are generally sensitive to hydrolysis (choline phosphate, ethanolamine phosphate, etc.);
On the other hand, the surface charge density of biological lipoid film is PH
is related to. Both of these properties make it difficult to use biolipoid films as separation layers in practical membranes. Sensitivity to hydrolysis shortens useful life and electrostatic protection against fouling
It can only be achieved within a certain PH range. Surprisingly, the instability of this biolipoid film, which hinders its use as a separation layer in practical membranes, can be reduced by the main physicochemical properties of the film that remain unaffected as follows. . (1) Instead of making bimolecular films from monofunctional lipoid molecules, monomolecular films are made from bifunctional or polyfunctional lipoids or surfactants. Recently, membranes of highly specialized microorganisms [Thermoplasma acidophilum, Sulfolobus acidophilum],
acidocaldarius)], a modified architectural principle has been observed, including a very low
PH values and high temperatures are used, so that the membrane is particularly resistant to hydrolysis. (2) Among the various methods that can be used to coat the porous support layer of the monomolecular separation layer in stable form, two are exemplified: Firstly, mono- or di-functional lipoids or surfactants can be polymerized with each other in the separating layer by means of reactive groups (e.g. double bonds) and with the support layer via other functional groups, and if possible. They can be bonded by interposing a gel layer between them. In this case, the loss of self-healing power is fundamental, since this crosslinking method limits the free instability of the hydrophobic lipoid chains. However, this drawback can be partially overcome by using lipoids or surfactants with two hydrophobic chains, only one of which is a polymerizable group and the other acts as an intramolecular plasticizer. Can be removed. Another possibility is to use lipoids or surface-active molecules whose hydrophilic end groups consist of relatively long reactive chains that penetrate relatively deeply into the gel layer or support layer. These chains serve to crosslink the separating layer molecules and anchor the separating layer to the gel layer or support layer. Therefore, in this process,
No crosslinking takes place in the hydrophobic parts of the separating layer, thus preserving the self-healing power of the separating layer. (3) To avoid the sensitivity of the head group to hydrolysis and obtain a surface charge density that is not affected by pH,
The lipoid or surfactant molecules of the separation layer should contain as charge head groups, preferably sulfonic or phosphonic acid groups. These groups are only slightly sensitive to hydrolysis and are dissociated even in acidic solutions. However, the need to provide a separation layer surface (or rather the ends of lipoids or surfactant molecules remote from the support layer) with a fixed charge only arises when the membrane is used in an aqueous medium, for example for desalination. . In other cases, when the membrane is used in an organic medium, there is no need for a fixed surface charge to be present. In such cases, the hydrolytic sensitivity of biolipoids is not a disadvantage. Therefore, if the membrane is to be used for separations in organic media, the separating layer may have the structure of a half-bimolecular lipoid membrane, and may contain suitable biological lipoids or surfactants of similar structure. It can also be made directly from. Therefore,
The separation layer then consists of a monomolecular lipoid or a surfactant film, with its hydrophobic end facing the organic phase to be separated. It is clear that optically active surfactants or surfactant-like lipoids can also be used for the production of monomolecular separation layers. The chiral surface of a monomolecular separated layer is
Final modification of the surface-active molecules (after the actual separation membrane has been made) can be made by reacting them with, for example, optically active sultones or amino acid derivatives. Finally, monomolecular separation layers can also be used to solubilize or introduce hydrophobic carriers or pore molecules when technically attempting to take advantage of the high transport selectivity of molecules. A well-known example of a hydrophobic K + selective carrier is valinomycin, while an example of a hydrophobic protein molecule with a K + selective pathway is gramicidino. In this invention, the separation layer is composed of molecules of a crosslinked monomolecular film, and (a) at least one molecule of the separation layer is in an uncrosslinked state.
(b) The hydrophobic chains of the cross-linked molecules are mainly arranged perpendicular to the membrane surface and parallel to the diffusion direction. (c) the molecules of the separation layer are cross-linked to each other via a functional group in at least one hydrophobic chain thereof and/or via a functional group in at least one hydrophilic group thereof; The invention relates to an excess membrane comprising a separation layer and a support layer. The overeffect of the separation layer of this invention is expressed as follows. That is, for example, when a monomolecular layer of a surfactant is deployed at the boundary between the aqueous phase and the air, the head group of the molecule will be located in the aqueous phase and the water-insoluble chain of the molecule will be located in the air. Here, the unfolded molecules are pressed against each other on the surface of the aqueous phase and are closely located laterally, and the molecular chains stand upright on the surface of the aqueous phase. In this state, the surfactant molecules are cross-linked to each other, resulting in a substantially uniform two-dimensional structure (the length of the molecular chain is negligible with respect to the extent of the surface of the aqueous phase). Here, since each surfactant molecule is arranged horizontally in an orderly manner, the spaces between these molecules also exist in an orderly arrangement. The space between these holes becomes the pores of the separation layer for filtration.
All molecules smaller than the distance between the surfactants will pass through this pore, and all larger molecules will be returned. The separation layer of the invention thus acts as a membrane. In the simplest case, the method according to the invention uses surfactants or surfactant-like lipoids with a strongly hydrophilic head and a hydrophobic end. However, surfactants or surfactant-like lipoids are also used, which are characterized by having a long hydrophobic central part, with strongly hydrophilic groups at one end and weakly hydrophilic groups at the opposite end. It is possible. (1) The hydrophilicity of the strongly hydrophilic group at one end and the hydrophobicity of the hydrophobic tail or hydrophobic center at the other end make it possible for the surfactant molecule as a whole to remain on the surface of an aqueous solution even though it is not very soluble in water. , or at the interface between an aqueous solution and an organic liquid immiscible therewith, with weakly hydrophilic groups facing the gas zone or organic liquid, mutually aligned to effectively spread perpendicular to the membrane plane. (2) The hydrophobic tail or hydrophobic center contains a polymerizable group and thus has the opportunity to crosslink with the hydrophobic center of at least two adjacent molecules, and/or the highly hydrophilic group is polymerizable and/or with highly hydrophilic groups of at least two adjacent surfactant molecules;
and the possibility of crosslinking with other molecules dissolved in the aqueous phase which, after crosslinking with the surfactant molecules and with each other, constitute the gel layer or support layer of the membrane. (3) Weakly hydrophilic groups combine with stronger hydrophilic groups, or
It may also be converted into a stronger hydrophilic group than itself. That is, weakly hydrophilic groups include sultonic acid groups, phosphonic acid groups, sulfuric acid groups, phosphoric acid groups, amino acid groups, carboxylic acid groups, primary, secondary, or tertiary amine groups, quaternary ammonium groups, or other strongly hydrophilic groups. sulfonic acid group, phosphonic acid group, sulfuric acid group, phosphoric acid group,
It can be converted into an amino acid group, a carboxylic acid group, or a primary, secondary or tertiary amine group, a quaternary ammonium group, other positively charged groups or other strongly hydrophilic groups. As mentioned above, it is a surfactant or surfactant-like lipoid whose hydrophobic tail or hydrophobic center consists of straight or branched hydrocarbon chains and/or partially or fully halogenated straight or branched hydrocarbon chains. Preference is given to using those consisting of hydrocarbon chains or straight or branched silicon chains. Other preferred surfactants or surfactant-like lipoids include at least one sulfonic acid on at least one hydrophobic chain or in the vicinity of a strongly hydrophilic group at their end facing the gel layer or support layer. group, phosphonic acid group, sulfate group, phosphoric acid group,
Some are distinguished by the inclusion of carboxylic acid groups, other groups which are negatively charged in the dissociated state, primary, secondary or tertiary amino groups, quaternary ammonium groups or other positively charged groups. Other preferred surfactants or surfactant-like lipoids include hydrocarbon-based parent substances such as tri-,
Tetra and higher terpenes, especially carotenoids. Furthermore, surfactants or surfactant-like lipoids containing a diene group or diacetylene group as a polymerizable function at the hydrophobic tail or the hydrophobic center are preferred. Other suitable surfactants or surfactant-like lipoids include mono-,
Residues of di-, tri- or higher saccharides, onic acids, sugar acids or amino sugars, residues of amino acids or oligopeptides, residues of polyhydric alcohols, aldehydes, carboxylic acids, or amines, Some carboxylic acid esters, epoxies,
Included are those distinguished by groups containing episulfide or sulfhydryl functional groups, groups containing activated double bonds (eg vinyl sultones), or groups containing masked isocyanates (eg carboxylic acid acids). The invention also provides that (a) a surfactant or surfactant-like lipoid molecule is placed under a spreading pressure or maintained at an average spacing on the surface of an aqueous solution or in a region immiscible with the aqueous solution; (b) crosslinking the surfactant or surfactant-like lipoid molecules with each other; and (c) coating the thus crosslinked separation layer on a support layer or gel layer. The present invention relates to a method for producing an excess membrane, characterized in that steps (b) and (c) are carried out continuously, but in an arbitrary order. According to this invention, (1) surfactant molecules or surfactant-like lipoid molecules are spread out at a certain average spacing on the surface or interface of an aqueous solution; (2) the spread surfactant molecules or The surfactant-like lipoid molecules are cross-linked to each other at either the hydrophobic or hydrophilic portions of the monomolecular film; (3) optionally, the surfactant molecules or the weakly hydrophilic ends of the surfactant-like lipoid molecules are , sulfonic acid group,
Phosphonate group, sulfate group, phosphate group, amino acid group,
carboxylic acid group, primary, secondary or tertiary amino group,
Convert into a quaternary ammonium group, other positively charged group or other strongly hydrophilic group, or convert into a sulfonic acid group, phosphonic acid group, sulfuric acid group, phosphoric acid group, amino acid group, carboxylic acid group, primary, secondary or containing either a tertiary amine group, a quaternary ammonium group, another positively charged group, or a group in an open or masked form (the masked hydrophilic group is then released) with another hydrophilic group. A method is provided for producing an overmembrane comprising the steps of: (4) coating a cross-linked separation layer on a porous, mechanically stable support layer; The order of the steps described above is not absolutely essential. For example, surfactant molecules may be coated onto the support layer prior to crosslinking. The particular order to be chosen in each case will depend in particular on the stability of the diffused monomolecular film. In the case of unstable monomolecular films, the subsequent hydrophilization of the weakly hydrophilic ends of the surface-active molecules should only be carried out after the separation layer has been applied to the support layer. Additionally, the separation layer need not be coated directly onto the support layer. Alternatively, a porous gel layer can be interposed, for example if the surface of the support layer is very rough. A porous gel may be introduced into the pores of the support layer when the pores of the support layer are large enough that the monomolecular support layer cannot compensate for the porosity without additional mechanical support. It is advisable to do this, for example, if it is desired that the excess membrane function at very high pressures. In a preferred case, it is sufficient to simply place the separation layer on top of the support layer. This is the case when the supermembrane is used in a hydrophobic medium. In other cases, it is necessary to crosslink the separation layer/support (gel) layer in order to prevent the separation layer from peeling off again. This is recommended, for example, when the overmembrane is used with aqueous surfactant-containing solutions. The separation layer can be applied to the support layer in different ways. The choice of a particular method will primarily depend on whether a small or large membrane surface is to be produced. For small membrane surfaces, it is best to use the Langmiur or Blodget methods. In these methods, a monomolecular film is compressed to a predetermined spreading pressure with a barrier on the surface of the subphase. Only initially the film is crosslinked. The simplest way to apply a porous support layer is to place the porous support membrane just below the water surface at a slight angle or flat and then lower the liquid level. The crosslinked monomolecular film itself is coated on the support layer, and the water present is allowed to flow out from between the film and the support layer, or is suctioned away from the support layer to evaporate or flow out, so that the film completely covers the entire surface of the support layer. become. Both layers adhere relatively firmly to each other. At this point, both layers will be crosslinked to each other. Furthermore, as a final step, the surface of the separation layer may be further made hydrophilic. The order of the individual steps can also be carried out differently. The monomolecular film is first applied to the support layer and then crosslinked by itself or together with the support layer. A less precise but simpler method of coating the separating layer on the support layer, which can be used to produce large surface area membranes, dispenses with a barrier for regulating certain spreading pressures. Instead, a high quality surfactant is spread onto the surface of the solution in a trough with a funnel-shaped top and hydrophobic walls (eg PTFE). In this case, the drop in liquid level causes compression of the monomolecular film to a given area. The measurement of the amount of surfactant to be coated must be accurate so that the area falls exactly where the upper funnel ends and the lower cylinder or column begins of the trough. Further reductions do not result in further compression of the film. The actual application of the separation layer to the support layer and the crosslinking reaction are carried out in the same manner as described above. In a third method, the support layer is extracted from below the aqueous subphase and through a monomolecular film under constant spreading pressure. In this case, water also flows between the film and the support layer. In a fourth possible method, a support layer is introduced onto the monomolecular (crosslinked or uncrosslinked) surfactant from above at a slight angle, compressing the layer below the next surface. Of course, it is best to use a hydrophobic support layer for this purpose. In addition, there is a fifth method that can be employed when the surfactant is still clearly soluble in non-polar organic solvents. In this case, the surfactant and/or protective layer should contain reactive groups and should be able to react with each other without the addition of crosslinking reagents.
The surfactant is dissolved in the organic phase and the hydrophilic support membrane (optionally wet) is simply dipped into and removed from the resulting solution. The surfactant and the support layer surface then react with each other to form a monomolecular surface film. Surfactants are selected which are capable of crosslinking themselves even in the presence of water. In this case a crosslinked separation layer is obtained. The remaining operations are performed according to the requirements as previously described. This method can be used when the pores of the support layer are not too large or are closed with a pore gel, or when the entire support layer is coated with a gel layer. It will also be clear that one of the five methods described above may be modified into a continuous or semi-continuous method for coating the support layer in the form of an endless strip. Mechanically stable porous materials can be used as porous support layers in nature. The choice of the support layer depends, first of all, on whether or how it is to be crosslinked with the separation layer and what requirements of its chemical, mechanical and thermal stability are to be met. The membrane according to the invention has all the characteristics that make the high resolution desirable dynamic properties of lipoidal films of biofilms, and in addition has a high resistance to fouling. For these reasons, the membrane of this invention is suitable for desalination,
It is suitable for use in a variety of practical separation methods including spill treatment, in some respects petroleum refining and separation of optical isomers. Desalination by reverse osmosis (excess) of seawater has advantages from an energy standpoint compared to commonly used distillation methods. Membrane processes are isothermal and instead of high vaporization enthalpies, there is a small amount of osmotic work in the form of pump energy. In the past, the advantages of this membrane method over distillation methods, as well as the drawbacks of inadequate throughput and short useful life, hindered and greatly delayed the use of membrane methods for seawater desalination on a large scale. Ta. However, compared to membranes previously used for seawater desalination, the membrane of the present invention has significantly higher throughput and improved useful life.
Therefore, it opens the way to a large-scale membrane method for obtaining pure water from seawater. Effluent treatment is the area of application where the high electrical surface charge density separating layer of the supermembrane of this invention with additional hydrophilic properties represents the most value. The reason is that in this field relatively weakly charged or completely uncharged surfaces have a great effect on the lifetime of the membrane. Pervaporation of liquid through a membrane
The separation of organic liquid mixtures, especially of hydrocarbon groups (C 8 -mixtures), has rarely gone beyond the experimental stage.
This evaporation method is also a permeation method and relies on phase transitions just like the distillation method. For this reason, evaporation methods use approximately the same amount of energy as distillation methods. Also, the throughput of the evaporation method is lower than that of the distillation method. However, theoretically, the evaporation method can exhibit a very high degree of selectivity, and the lack of selectivity has been the primary obstacle to practical application of the evaporation method so far. The membrane according to the invention has a high selectivity, which is essential for the practical application of evaporation methods. The membrane for the evaporation method is
It is not necessary to have a monomolecularly separated layer of bifunctional surfactant. The reason is that contamination is not an important factor in this case and the separation layer does not require a surface negative charge. Therefore, evaporative films can also be made from monofunctional surfactants,
Therefore, such a membrane can be said to be the simplest form of membrane in question here. The process of separating optical isomers by filtration through a chiral separating layer is characterized by a particularly high selectivity due to the essentially two-dimensional crystalline nature of the tightly packed separating layer, and in addition, the same selection This method has a considerably higher throughput than its corresponding method, especially the crystallization method. Additionally, it is not a difficult method. Since a relatively small amount of surfactant is required to create the separation layer, it is possible to prepare the separation layer from an optically active surfactant and/or to create an initially optically inactive surfactant that is later chiralized to the ω-position. None of the things you do are particularly expensive. The separating layer of the membrane according to the invention is generally 20-60 Å,
Preferably the thickness is 20-50 Å, most preferably 20-40 Å. If desired, this separating layer may be significantly thinner. However, it is a particular advantage of the membrane of the invention that the separation layer is sufficiently strong with a thickness of 50 Å and thus exhibits good separation performance. The support layer is 0.05mm to 1.0mm thick, preferably 0.1mm
It is the thickness, and may be thinner or thicker depending on necessity. The membrane according to the present invention, as well as "separation layer with felt structure", "separation layer with velvet structure", "bimolecular film", "monomolecular film", "support layer", "gel layer", "monolayer Terms such as "functional lipoid", difunctional and polyfunctional lipoid" are explained with reference to the accompanying FIGS. 1-11. FIG. 1 shows a cross-section of a conventional membrane, in which a felt-structured separation layer 1 is coated with a coarse-porous support layer 2. FIG. 2 shows a cross-section of the membrane of the invention, in which a separating layer 3 having a velvety structure is coated on a coarse-porous support layer 2. FIG. FIG. 3 is a cross-section of another membrane of the invention, in which a separating layer 3 having a velvety structure is coated with a finely porous gel layer 4, which is coated with a coarsely porous support layer 2. FIG. 4 is a cross-sectional view of a monofunctional lipoid or a bimolecular film of a surfactant, in which the functional groups (circled) are hydrophilic groups. Figures 5 to 8 are cross-sectional views of monomolecular films. FIG. 5 shows a monofunctional lipoid or a monomolecular film of a surfactant, and the functional groups (circled) are hydrophilic groups. FIG. 6 shows a bifunctional lipoid or a monomolecular film of a surfactant, and the functional groups (circled) are functional groups. Figure 7 shows a monomolecular film of trifunctional lipoid or surfactant, in which two identical functional groups (circled parts) are hydrophilic, and the third functional group (tail part) is another hydrophilic residue. . Figure 8 shows a crosslinked monomolecular film of trifunctional lipoid or surfactant, in which two identical functional groups (circled) are hydrophilic groups, and a third functional group is used for crosslinking at the hydrophobic part of the film. There is. Figures 9-11 are cross-sectional views of the separation layer of the invention to which the support layer is fixed. FIG. 9 shows a crosslinked monomolecular film of trifunctional lipoids or surfactants. Two functional groups (circles) are hydrophilic groups, and the third functional group (in this case another hydrophilic group) is used for crosslinking with the hydrophilic groups of the film. FIG. 10 shows a crosslinked monomolecular film of a trifunctional lipoid or surfactant, where two identical functional groups (circles) are hydrophilic groups and the third group is another hydrophilic group. Crosslinking is a subphase (gel or support layer)
This is done in macromolecules. FIG. 11 shows a crosslinked monomolecular film of bifunctional lipoids or surfactants. The molecule has a fixed charge (circle) and other hydrophilic groups through which it is crosslinked with the macromolecules of the subphase (gel or support layer). The hydrophobic groups of this lipoid or surfactant are exposed at the surface of the separation layer. From the following observations, what has been made regarding surfactants applies to the surfactants used in the preparation of the separation layer as well as to the surfactants contained in the separation layer. The term "surfactant" used next includes surfactant-like lipoids. “Surfactant” is
Since lipoids are fat-like substances, they are generally understood to be surface-active compounds. Surfactant-like lipoids are therefore surface-active, fat-like substances. The introduction of a gel layer between the separation layer and the support layer is necessary in the following cases: That is, when the pore diameters of the support layer cannot be connected by a crosslinked separation layer, or when the crosslinked separation layer is not mechanically stable enough on its own. The gel layer may be of the same material as the support layer, provided that its pore diameter is sufficiently small. In the following description, the gel layer of the membrane is not depicted separately from the support layer, but forms part of the support layer. Although the literature describes lipoids containing a hydrophobic center and two different hydrophilic end groups, the stronger hydrophilic end groups crosslinking with at least two corresponding groups of the same molecule, but for practical purposes it is difficult to use (Biochimica et Biophysica Acta,
360 (1974) 217–229, 487 (1977) 37–50). The hydrophobic center may be a straight-chain or branched aliphatic group, such as a straight-chain or branched alkyl, alkenyl, alkynyl group. Some or all of the hydrogen atoms in the aliphatic group of the hydrophobic center may be substituted with fluorine atoms or halogen atoms. In addition, the chain of the hydrophobic center may be interrupted with an oxygen atom. The hydrophobic central portion may include one or more double bonds and triple bonds. If they contain several double or triple bonds, they are preferably conjugated. In addition, the hydrophobic center may contain double and triple bonds at the same time. The hydrophobic center may also contain a mixed aliphatic and aromatic group. Even if the hydrophobic center contains such a mixed group, the above definition as an aliphatic part applies. The aromatic group in the hydrophobic center can be formed by something like a phenylene group or a naphthalene group. The hydrophobic center may be composed of two parallel aliphatic chains, parallel aromatic chains or aromatic/aliphatic chains. These chains may be interconnected. Next, an example of the hydrophobic center is shown. The hydrophobic center is, for example, a linear aliphatic group (a), (f), (g), a branched aliphatic group (b), (c), or an aromatic/aliphatic group. It may also be two parallel chains (d), (e), (g) connected to each other at the ends. (a) X-(CH 2 ) o -Y (n=12-44) (b) X-[CH 2 -CH(CH 3 )-CH 2 -CH 2 ] o -Y
(n=4-12) (f) X-(CH 2 ) o -C≡C-C≡C-(CH 2 ) o -Y
(n=6-22) In the above examples (a) to (g), Y represents a strong hydrophilic group and X represents a weak hydrophilic group. It is a surfactant that is crosslinked with Examples (f) and (g) are surfactants that crosslink at the hydrophobic central functional group. In these cases, the bonding with the support layer takes place through the strongly hydrophilic group Y. In example (g), the surfactant is used as the second plasticizing agent.
Contains hydrocarbons. Example (e) is a hydrocarbon skeleton similar to the membrane lipoids of Thermoplasma acidophilum. The number of carbon atoms in the hydrophobic center is balanced with the number of carbon atoms in the biofilm lipoid. The hydrophobic end of biological lipoids contains approximately 12-22 carbon atoms. Therefore, the thickness of the bimolecular lipoid film is
Approximately corresponds to 24 to 44 carbon atoms. Therefore,
The hydrophobic center of the surfactants according to the invention (if formed of hydrocarbon groups) contains up to 44 carbon atoms, preferably up to 36 carbon atoms. If the hydrophobic center is formed from partially fluorinated hydrocarbons or completely fluorinated carbon, the number of carbon atoms can be considerably lower. Examples (a)-(g) do not represent a complete list. In formulas (a) to (g), the hydrogen atoms of the aliphatic groups may be completely or partially substituted with fluorine atoms. In formulas (a) and (d), n is 12 to 44, preferably 18 to 40,
More preferably 24-36. In formula (g), m has the same meaning as n in formulas (a) and (d). In formula (b), n is 4-12, preferably 6-10, more preferably 7-9. In formula (c), n is 3 to 14, preferably 6 to 12, more preferably 9 or 10. In formula (e), n is 4 to 10, preferably 7 to 9, and more preferably 8. In formula (f), n is 6-22, preferably 8-18, more preferably 10-16. Examples of the strong hydrophilic group Y of the surfactant include the following. Residues of mono-, di-, or higher oligosaccharides (e.g., hexoses, heptuloses, octrose, and residues of sutucharose, lactose, maltose, and raffinose),
Mono-, di-, Tri- or oligopeptide residues (eg, polyserine, polylysine, polyhydroxyproline, polyornithine residues, etc.). Alternatively, the residues may be residues of sugar molecules bonded to each other via an ether bridge. Other possibilities include short chain condensates of epichlorohydrin and glycidol. The above list should not be construed as exhaustive. having at its disposal so many reactive groups that the strongly hydrophilic group can be crosslinked simultaneously with at least two surfactant molecules adjacent thereto, and optionally with the polymer molecules of the subphase; This is an important factor. Examples of weakly hydrophilic groups X in surfactants include -OH, -NH2 , -SH, -CHO, -COCH3 , -CH
=CH−COOR, −CH=CH 2 , [Formula] −CN, −CON 3 , −COOR, −SR, −S−SR, −
Examples include SCN or halogen atoms (chloro, brome, iodo). This is also not a complete restoration. Under special conditions, the -COO group is also suitable for use as a weakly hydrophilic group. An important factor is that the weakly hydrophilic group has a fixed negative charge or can be converted into another hydrophilic group, or can be extended to a fixed negative charge or other hydrophilic group-containing group. The basis of the problem is
Preferably it is an anion of sulfonic acid. The term "not appreciably soluble in water" means that the surfactant molecules applied to the surface of the aqueous phase remain on the surface and do not dissolve in the aqueous phase to any "appreciable" extent. means. The solubility in the aqueous phase is preferably less than 10 -6 mol/, preferably
It should be 10 -8 mol/. When a monomolecular surfactant layer is formed at the interface between aqueous and organic phases, its solubility in the organic phase should also be as low as possible. The term "spreading" is a specialized term in surface chemistry that is familiar to those skilled in the art. This means that the molecules on which the surface can move completely occupy the surface for their movement, just as a gas molecule takes up all the volume in which it can move. Formally, molecules spread out on a surface behave like two-dimensional gases. The average spacing between spread molecules can be deduced from the number of molecules per cm 2 of surface area. This interval is also
It can be measured from the surface area available for a certain number of molecules to span. Spreading need not necessarily take place at the interface between liquid and gas phases, but may also take place at the interface of two immiscible liquids, for example water and petroleum. From spreading experiments, the minimum surface area required for relatively long linear fatty acids or hydrocarbons placed perpendicular to the water surface is approximately 25 Å 2 . Therefore, approximately 4.
10 18 molecules are required to cover 1 m 2 of surface with a thin carpet of such molecules. The surface area required for a surfactant is approximately
It is 25Å2 . When the hydrocarbon chains are branched or halogenated and when they contain, for example, aromatic rings, the required surface area is correspondingly increased. Given that the strongly hydrophilic end group of a surfactant has a larger volume than the hydrophobic portion of its molecule, the hydrophobic group determines the surface area occupied by the molecule. If the solubility of the molecule in the aqueous phase (and its solubility in the organic phase, if any) and the absorption density at the container wall are known, the number of surfactant molecules at the surface or interface of the aqueous phase can be determined accurately. can be determined in advance or adjusted experimentally. This is convenient when the solubility in the two phases and the absorption density at the container wall are zero. The surfactant is then dissolved in a readily volatile or water-soluble solvent or solvent mixture (eg ethanol or chloroform/methanol) and the resulting solution is carefully dropped onto the surface or interface. The solvent disappears in the bonding phase,
Surfactant remains on the surface or interface. Suitable raw materials for the process according to the invention include lipoids, those obtained therefrom, in particular the hydrophobic affinity of surfactants obtained from microbial membranes, in particular those of Thermoplasma acidophilum and Sulfolobus acidocaldarium. There are substances.
Under the best environmental conditions (optimum growth of microorganisms is PH2.0,
obtained at 59°C). The cell membrane of the microorganism Thermoplasma acidophilum exhibits extremely high mechanical stability and high physical and chemical resistance. This distinguishes it from all biofilms studied to date. The most important structural element of these membranes is the difunctional lipoid, which provides acid and temperature resistance. This lipoid spreads throughout the membrane and has the following structural characteristics: This lipoid (hereinafter referred to as DGTE) can be used as a raw material in the method of this invention. This is particularly advantageous as the basic unit of the membrane of the invention. The ether-like bond between the hydrophobic element and the polar head group provides high resistance to acids. Mechanical chain branching on double bonds in other lipoids of biological origin avoids the risk of oxidative chain degradation. Hydrophobic bands in the center of the molecule can be bonded to each other through covalent bonds. DGTE is a unit of variable number that forms the membrane skeleton in different quantitative proportions. Since the end of the molecule facing the interior of the cell has a free primary alcohol group as a configuration, the externally coordinated groups can have substituents of different size and polarity. The number of phospholipoids containing phosphoryl monoglycosyl residues is quantitatively large. In addition, some other anionic phospholipoids are also present in small amounts. Lipopolysaccharide, whose substituents consist of a linear polysaccharide containing a glycose segment and 24 mannose residues, is a raw material of particular interest for the process of this invention. In this case, glucose
It forms a bridge between DGTE and polymannose. Mannose residues can be cleaved from -Glu-Man-Man residues with oxygen. This triglycosyl diglycerol tetraether is relatively easy to separate. This material is of particular interest in the process of this invention because it spreads very well in water and can crosslink in the subphase. DGTE-containing lipoids constitute more than 40% of the total lipoid compartment of cells. This can be easily isolated and washed, so that large-scale cultivation and optimization of the process will yield adequate amounts of each lipoid fraction. Regarding recovery of lipoids from biological membranes and their properties, see Tomas A, Langworthy; Biochem.
Biophys. Acta (Amsterdam) 487 (1977), 37~
Reference is made to page 50. Next, this invention will be explained with examples. Example 1 Manufacture of a single molecule for overseparation by spreading and polymerizing a surfactant having a diacetylene group Formula: CH3- ( CH2 ) 12 -C≡C-C≡C-
Hexacosa10,12− represented by (CH 2 ) 8 −COOH
A chloroform solution of diyn-1-acid (1 mg/ml solution) was spread on the surface of the water in the Langmiur tank. After evaporation of the solvent (5 minutes), the remaining monolayer film was compressed at 20°C to a pressure of 15 dynes/cm. This film was irradiated with ultraviolet light (254 nm) for 6 minutes to polymerize. By lowering the water level, the above film was coated with an anisotropic ultrafiltration membrane made of regenerated cellulose [manufactured by Sartorius,
It was placed on a porous support (special product). Example 2 Production of a monomolecular layer for hyperseparation by spreading and polymerizing a surfactant having an acrylic acid ester group and a surfactant having a methacrylic acid ester group Formula (I): Represented by [Formula] With 0.95 mg of the compound to be expressed, the formula (): 0.05 mg of the compound represented by was dissolved in 1 ml of chloroform. As in Example 1, this solution was spread on the water surface in the Langmiur tank at 20°C, chloroform was evaporated, and then compressed to a pressure of 20 dynes/cm. Next, in the same manner as in Example 1, this film was irradiated with ultraviolet light (254 nm) to polymerize. The film was placed on a cellulose triacetate anisotropic ultrafiltration membrane (Sartorius, SM14539) by lowering the water level. Example 3 Adhesion of a monomolecular layer for hyperseparation to a porous support In addition to the carboxylic acid used in Example 1, 5% by weight of the formula: CH 3 (CH 2 ) 12 -C≡C-C≡C −
(CH 2 ) 8 −O−OP(OH) 2 , [Pentacocer 9, 10
A chloroform solution similar to that in Example 1 was prepared, and the same operations as in Example 1 were performed, except for adding the monophosphoric acid ester of diyn-1-ol]. The obtained film was polymerized and placed on a regenerated cellulose anisotropic ultrafiltration membrane (special product manufactured by Sartorius) in the same manner as in Example 1. The membrane was then removed from the Langmiure tank and placed in a dryer for 1 hour.
Tempered at 30°C for an hour. This operation fixes the separation layer to the support. Example 4 Fixation of monomolecular layer for hyperseparation to porous support Compounds of formulas (I) and () were mixed with 1 ml of chloroform.
The same operation as in Example 2 was carried out except that 0.80 mg and 0.20 mg were dissolved respectively. The support membrane used was an anisotropic ultrafiltration membrane of cellulose diacetate treated with boiling ethylene sulfide (56° C.) steam (1 mole of ethylene sulfide per mole of free hydroxy groups). This monomolecular film was polymerized and placed on the support layer, and then the polymerized film was fixed to the support in the presence of gaseous trimethylamine at room temperature in a humid chamber. This method could be performed in a time not exceeding 15 minutes. Example 5 Preparation of a superseparation monolayer with a hydrophilic surface and fixation of the layer to a porous support Formula (): and a compound of the formula (): CH3- ( CH2 ) 12- C≡C-C≡C-
(CH 2 ) 8 -COOH compound in chloroform 1
A total amount of 1 mg per ml was dissolved in chloroform in a molar ratio of 1:1. The aqueous subphase in the Langmiur tank was adjusted to pH 8, the above solution was spread on the aqueous subphase in the Langmiur tank, the solvent was evaporated, and the resulting film was heated at 15 dynes/ Compressed to cm. An anisotropic ultrafiltration membrane of cellulose diacetate is then placed in the lower layer of the Langmiur tank at a constant spreading pressure.
At the bottom, the unpolymerized film was transferred onto the support membrane by lowering from above (dipping or stamping step). Here, the "spreading pressure" corresponds to the difference between the surface tension of the pure liquid (aqueous phase) surface and the surface tension of the liquid covered with surfactant molecules. This difference is due to the thermodynamic movement of the surfactant in two dimensions (similar to the movement of gas molecules in three dimensions in a container) of the surfactant before crosslinking, which spreads over the surface of the aqueous phase. Next, by irradiating the film with ultraviolet rays, the film was simultaneously polymerized and fixed to the support membrane. Example 6 Preparation of superseparation monolayers by cross-linking extended hydroxy-containing surfactants A solution of n-octadecylgluconamide (0.4 mg) in a mixture of 2 parts chloroform and 1 part methanol /ml) was prepared at 50°C. After spreading this solution in a Langmiur tank and evaporating the solvent,
It was compressed to 16 dynes/cm. The film was stable and was loaded onto a cellulose diacetate anisotropic ultrafiltration membrane by lowering the water level. The membrane was then fixed using gaseous epichlorohydrin in a humid chamber at 20° C. for 12 hours. According to this method, the monomolecular film is cross-linked and fixed to the support membrane. Example 7 Production of a monomolecular layer for superseparation by simultaneously spreading and crosslinking a surfactant having an amino group and a surfactant having a hydroxyl group Mixed solvent of chloroform: methyl alcohol (2:1) The same procedure as in Example 6 was carried out except that a solution containing 0.24 mg of octadecylamine and 0.40 mg of n-octadecylgluconamide per ml was used. The film obtained from this solution is
At 30 dynes/cm it was liquid. After this film was placed on an anisotropic limiting membrane of cellulose diacetate, the membrane was first prefixed with gaseous epichlorohydrin at 20°C for 70 hours, and then placed in a 1% hexamethylene diisocyanate solution in trichloroethylene. Fixation was completed by soaking for 10 minutes at room temperature. Example 8 Production of a superseparation monolayer with a negative surface charge by spreading and crosslinking a surfactant having a hydroxyl group Mixing of ω-bromo-octadecylgluconamide in chloroform/methanol (2:1) Initially, the procedure was the same as in Example 6 except that a solvent solution was used. After the film was placed on the ultrafiltration membrane, it was prefixed with gaseous epichlorohydrin and the fixation was completed with hexamethylene diisocyanate in the same manner as in the Examples. The entire membrane was then thoroughly washed with water, treated with a 5% NaSH aqueous solution for 30 minutes at 40°C, washed again, immersed in a 5% propane sultone solution in toluene for 10 minutes at 40°C, and finally washed once again with water. Example 9 Preparation of a superseparation monolayer with a polar and chiral surface A membrane was prepared in the same manner as in Example 8, except that the membrane was treated with dl-1-methylpropane sultone. Example 10 Production of a monomolecular membrane for hyperseparation by cross-linking a spread layer of surfactant and a gel layer of polyvinyl alcohol (PVA) A glass plate was coated with a monomolecular layer of Cd 2+ arachinate by a known method. to make it hydrophobic. The plate thus produced was transferred to an aqueous sublayer at a speed of 2.4 cm/sec through a monomolecular film of octadecyl gluconamide and octadecyl amine (see Example 7) spread at 30 dynes/cm. Completely immersed from the top. After removing the monomolecular film remaining on the liquid surface, the plate was taken out again. This plate is coated with different monomolecular films. The board was briefly dried and then immersed in a 20% PVA aqueous solution. After an additional 5 minutes, the board was removed from the PVA aqueous solution and hung from its top for an additional 5 minutes to drain any adhering liquid. It's still attached after that
The PVA solution was removed from the bottom edge of the board with paper and then the board was dried on silica gel in an oven. The plate was then introduced into a chamber filled with gaseous hexamethylene diisocyanate and left there for 15 minutes. The crosslinked PVA-surfactant layer was then removed from the glass plate and washed with water. Example 11 Production of hollow fibers with separating bilayer for gas separation Hexacosa 10, which was prepared by expanding porous polypropylene hollow fibers at 0° C. under a pressure of 20 dynes/cm.
Through a monomolecular film of 12-diyn-1-acid,
It was immersed at a speed of 2.4 cm/sec into an aqueous sublayer containing 1 g/CdCl 2 . After complete immersion, the fibers were pulled up again under the same pressure, and the lowermost ends of the fibers were left in the lower layer for 5 minutes to remove the adhering lower layer liquid, and then completely taken out. After that, the liquid still adhering to the ends of the hollow fibers was removed with paper. The bimolecular film on the surface of the hollow fiber was then cross-linked for 1 minute by gently rotating the fiber in front of an ultraviolet aperture radiator (4000 mW/cm 2 ). These examples are representative and do not limit the invention.
第1図は、通常の膜の横断面を、第2図はこの
発明の膜の一例を示す横断面を、第3図はこの発
明の膜の他の一例を示す横断面を、第4図は、こ
の発明の2分子フイルムの横断面を、第5〜8図
はそれぞれこの発明の単分子フイルムの具体例を
示す横断面を、第9〜11図は、それぞれこの発
明の支持層が固定された分離層の別の具体例の横
断面を示す図である。
1,3……分離層、2……支持層、4……ゲル
層。
FIG. 1 shows a cross section of a normal membrane, FIG. 2 shows a cross section of an example of the membrane of this invention, FIG. 3 shows a cross section of another example of the membrane of this invention, and FIG. 4 shows a cross section of another example of the membrane of this invention. Figures 5 to 8 are cross sections showing specific examples of the monomolecular film of the present invention, and Figures 9 to 11 are cross sections of the bimolecular film of the present invention, respectively. FIG. 3 is a diagram showing a cross section of another specific example of a separated separation layer. 1, 3...separation layer, 2...support layer, 4...gel layer.
Claims (1)
り、 (a) 未架橋状態の分離層の分子が、少なくとも1
つの疎水鎖と少なくとも1つの親水基を含む表
面活性剤又は表面活性剤様リポイドであり、 (b) 架橋後の分子の疎水鎖が、主に膜面に対し垂
直で拡散方向に平行に配置しており、 (c) 分離層の分子が、その少なくとも1つの疎水
鎖中の官能基を介して及び/又はその少なくと
も1つの親水基の官能基を介して互に架橋して
いる ことを特徴とする分離層と支持層を含む過膜。 2 分離層の少なくともいくらかの分子もまた親
水基を介して支持層の分子と架橋している特許請
求の範囲第1項による過膜。 3 分離層の分子が支持層の分子と架橋するよう
に、分離層の全分子が親水基を介して支持層の分
子と架橋している特許請求の範囲第1項による
過膜。 4 膜の分離層と支持層が互にゲル層を介して結
合し、分離層の分子が任意にゲル層の分子に固定
されている特許請求の範囲第1〜3項の何れかに
よる過膜。 5 少なくともいくらかの表面活性分子がキラル
中心を有する特許請求の範囲第1〜4項の何れか
による過膜。 6 キラル中心が、モノ、ジ、トリまたは高級サ
ツカライド残基、アミノ酸残基、オリゴペプチド
残基、アミノ糖残基、オン酸(1又は6−カルボ
キシル置換サツカロース)残基、糖酸残基、エー
テルスルホネート残基又はこれらの物質の誘導体
中に位置している特許請求の範囲5項による過
膜。 7 担体分子、細孔分子又は分子間で細孔を形成
する分子が、界面活性剤又は界面活性剤様のリポ
イドからなる膜の分離層に溶解化もしくはとりこ
まれていることで特徴付けられる特許請求の範囲
第1〜6の何れかによる過膜。 8 (a) 表面活性剤分子又は表面活性剤様のリポ
イド分子を、ある拡がり圧下ないし平均スペー
スを保持させつつ、水性相の表面又は水性相と
それと非混和性の液との界面に拡げ、 (b) 表面活性剤分子又は表面活性剤様のリポイド
分子を互に架橋させ、および (c) このようにして架橋される分離層を支持膜又
はゲル層に被覆し、 これらの工程を連続的に、但し工程(b)と工程(c)
は任意に順序を変えて行い、分離層が架橋単分子
フイルムからなり、 (1) 未架橋状態における分離層の分子が、少なく
とも1つの疎水鎖と少なくとも1つの親水基を
含む表面活性剤又は表面活性剤様リポイドであ
り、 (2) 架橋後の分子の疎水鎖が主に膜の面に対し垂
直で拡散方向に平行に配置しており、 (3) 分離層の分子がその少なくとも1つの疎水鎖
中の官能基を介して及び/又はその少なくとも
1つの親水基の官能基を介して互に架橋してい
る分離層と支持層を含む過膜を得ることを特
徴とする過膜の製造法。 9 水性サブフエース中か又は支持層の水充填細
孔中に、架橋性ゲルが含まれているか又は架橋性
ポリマーが溶解されており、かつ界面活性剤分子
の架橋中又は架橋した分離層の支持層への塗布後
に、架橋性ゲル又はポリマーを順次界面活性剤分
子と、あるいは、架橋した分離層と又はそれ自体
を架橋さすことよりなる特許請求の範囲第8項に
よる方法。 10 少なくともいくらかの界面活性剤分子又は
界面活性剤様リポイド分子を架橋前か後に支持層
を架橋さすことからなる特許請求の範囲第8又は
9項による方法。 11 分離層分子の架橋後で、分離層のゲル層又
は支持層への被覆の前か後でかつ任意に各種の層
が互に架橋された後で、支持層から離れた界面活
性剤分子の弱親水末端に親水又は疎水基を導入す
るか、親水又は疎水基に変換さすことによりなる
特許請求の範囲第8〜10項の何れかによる方
法。 12 支持層から離れた界面活性剤分子の弱親水
基末端に光学活性の親水基又は疎水基を導入また
はそれに変換さすことによりなる特許請求の範囲
第11項による方法。 13 支持層から離れた界面活性剤分子の弱親水
基末端をスルトン類、任意に光学活性のスルトン
類と反応させることよりなる特許請求の範囲第1
1又は12項による方法。 14 界面活性剤又は界面活性剤様リポイド分子
が賦形剤であるか、内部に細孔を有するか又は細
孔が分子間に形成されるように互いに会合してい
る疎水性分子とともに拡げられる特許請求の範囲
8〜10項の何れかによる方法。 15 分子を、ある拡がり圧下ないし平均スペー
スを保持させつつ、水性溶液の表面又は水性溶液
とそれと非混和性の液体の界面に拡がらせ、 次いで、疎水性プレートを、表面又は界面を通
じて水性相に浸し、それによつて、単分子系界面
活性フイルムが一定拡がり圧下でプレート上に疎
水的に付着し、 次いで単分子系界面活性フイルムの残部を吸引
により表面又は界面から除去し、プレートを付着
した単分子系フイルムとともに水性相から除去
し、かつ単分子系フイルムが続いて架橋されるこ
とを連続で行うことにより、 分離層が架橋単分子フイルムの分子からなり、 (a) 未架橋状態の分離層の分子が、少なくとも1
つの疎水鎖と少なくとも1つの親水基を含む表
面活性剤又は表面活性剤様リポイドであり、 (b) 架橋後の分子の疎水鎖が、主に膜面に対し垂
直で拡散方向に平行に配置しており、 (c) 分離層の分子が、その少なくとも1つの疎水
鎖中の官能基を介して及び/又はその少なくと
も1つの親水基の官能基を介して互に架橋して
いる ことを特徴とする分離層と支持層を含む過膜を
得る方法。 16 単分子系界面活性フイルムの架橋前か後
に、プレートをフイルムとともに架橋性ポリマー
溶液に浸し、その溶液から除去し、かつ付着液体
を流出させた後及び任意に乾燥した後に、架橋性
ポリマーを架橋させることからなる特許請求の範
囲第15項による方法。 17 架橋性ポリマーがポリビニルアルコールで
ある特許請求の範囲第16項による方法。 18 架橋後に、単分子系フイルムを支持膜に被
覆する特許請求の範囲第15項による方法。 19 疎水プレートの代りに細孔壁を有する疎水
性中空繊維又はこのような中空繊維の束を用い、
単分子系フイルムを架橋後に中空繊維の表面に残
し、かつこの被覆と架橋を任意に複数回行うこと
からなる特許請求の範囲15〜18項の何れかに
よる方法。 20 細孔壁を有する疎水性中空繊維又はその束
を最初に水性相に導入し、その後単分子系フイル
ムを水性相の表面又は水性相とそれと不混和性の
液体相との界面に拡がらせ、次いで中空繊維又は
その束を中空繊維表面が親水的に単分子系フイル
ムと架橋するように一定拡がり圧下の相界面から
取り出し、かつ必要によりこの被覆と架橋を複数
回行うことからなる特許請求の範囲第19項によ
る方法。[Scope of Claims] 1. The separation layer is composed of molecules of a crosslinked monomolecular film, and (a) at least one molecule of the separation layer is in an uncrosslinked state.
(b) The hydrophobic chains of the cross-linked molecules are mainly arranged perpendicular to the membrane surface and parallel to the diffusion direction. (c) the molecules of the separating layer are crosslinked to each other via a functional group in at least one hydrophobic chain thereof and/or via a functional group in at least one hydrophilic group thereof; membrane containing a separation layer and a support layer. 2. A membrane according to claim 1, in which at least some molecules of the separation layer are also crosslinked via hydrophilic groups with molecules of the support layer. 3. The membrane according to claim 1, wherein all molecules of the separation layer are crosslinked with molecules of the support layer via hydrophilic groups so that molecules of the separation layer are crosslinked with molecules of the support layer. 4. A membrane according to any one of claims 1 to 3, wherein the separation layer and support layer of the membrane are bonded to each other via a gel layer, and the molecules of the separation layer are optionally fixed to the molecules of the gel layer. . 5. A membrane according to any of claims 1 to 4 in which at least some of the surface-active molecules have chiral centers. 6 The chiral center is a mono-, di-, tri- or higher saccharide residue, amino acid residue, oligopeptide residue, amino sugar residue, ionic acid (1- or 6-carboxyl-substituted sucrose) residue, sugar acid residue, ether 6. A membrane according to claim 5, wherein the sulfonate residues or derivatives of these substances are located. 7. A patent claim characterized in that carrier molecules, pore molecules, or molecules that form pores between molecules are dissolved or incorporated into a separation layer of a membrane consisting of a surfactant or a surfactant-like lipoid. A membrane according to any one of the ranges 1 to 6. 8 (a) Surfactant molecules or surfactant-like lipoid molecules are spread on the surface of the aqueous phase or at the interface between the aqueous phase and an immiscible liquid, maintaining a certain spreading pressure or average spacing, and ( b) crosslinking the surfactant molecules or surfactant-like lipoid molecules with each other; and (c) coating the separation layer thus crosslinked on a support membrane or gel layer, and carrying out these steps continuously. , but process (b) and process (c)
(1) The separation layer is made of a crosslinked monomolecular film, and (1) the molecules of the separation layer in an uncrosslinked state contain a surfactant or a surface containing at least one hydrophobic chain and at least one hydrophilic group. It is an activator-like lipoid, (2) the hydrophobic chains of the cross-linked molecules are mainly arranged perpendicular to the membrane plane and parallel to the diffusion direction, and (3) the molecules of the separation layer have at least one of its hydrophobic chains. A process for producing a membrane, characterized in that it obtains a membrane comprising a separating layer and a support layer, which are crosslinked to each other via functional groups in the chains and/or via functional groups of at least one hydrophilic group thereof. . 9 A supporting layer of a separation layer in which a crosslinkable gel is contained or a crosslinkable polymer is dissolved in the aqueous subphase or in the water-filled pores of the support layer, and the surfactant molecules are crosslinked or are crosslinked. 9. A method according to claim 8, comprising sequentially crosslinking the crosslinkable gel or polymer with surfactant molecules or with a crosslinked separation layer or with itself after application to the crosslinkable gel or polymer. 10. A method according to claim 8 or 9, comprising crosslinking the support layer before or after crosslinking at least some of the surfactant molecules or surfactant-like lipoid molecules. 11 After cross-linking of the separation layer molecules, either before or after coating the separation layer onto the gel layer or support layer and optionally after the various layers have been cross-linked to each other, the surfactant molecules separated from the support layer A method according to any one of claims 8 to 10, which comprises introducing a hydrophilic or hydrophobic group into the weakly hydrophilic end or converting it into a hydrophilic or hydrophobic group. 12. The method according to claim 11, which comprises introducing or converting an optically active hydrophilic group or hydrophobic group into a weakly hydrophilic end of a surfactant molecule remote from the support layer. 13 Claim 1 comprising reacting the weakly hydrophilic end of the surfactant molecule remote from the support layer with a sultone, optionally an optically active sultone.
Method according to Section 1 or 12. 14. Patents in which the surfactant or surfactant-like lipoid molecules are excipients or are extended with hydrophobic molecules that have internal pores or are associated with each other such that pores are formed between the molecules. A method according to any one of claims 8 to 10. 15. Spread the molecules at the surface of the aqueous solution or at the interface of the aqueous solution and an immiscible liquid while maintaining a certain spreading pressure or average spacing, and then introduce the hydrophobic plate into the aqueous phase through the surface or interface. immersion, whereby the monomolecular surfactant film is hydrophobically deposited onto the plate under constant spreading pressure, the remainder of the monomolecular surfactant film is then removed from the surface or interface by suction, and the plate is removed from the adhered monolayer. By sequentially removing the molecular film from the aqueous phase and then crosslinking the monomolecular film, the separation layer consists of molecules of the crosslinked monomolecular film, and (a) the separation layer in an uncrosslinked state is formed. has at least one molecule of
(b) The hydrophobic chains of the cross-linked molecules are mainly arranged perpendicular to the membrane surface and parallel to the diffusion direction. (c) the molecules of the separating layer are cross-linked to each other via a functional group in at least one hydrophobic chain thereof and/or via a functional group in at least one hydrophilic group thereof; A method for obtaining a membrane comprising a separation layer and a support layer. 16 Before or after crosslinking the monomolecular surfactant film, the plate is immersed together with the film in a crosslinkable polymer solution, removed from the solution, and after draining off the adhering liquid and optionally after drying, the crosslinkable polymer is crosslinked. 16. A method according to claim 15, comprising: 17. The method according to claim 16, wherein the crosslinkable polymer is polyvinyl alcohol. 18. The method according to claim 15, wherein the monomolecular film is coated on the support membrane after crosslinking. 19 Using hydrophobic hollow fibers with pore walls or bundles of such hollow fibers instead of hydrophobic plates,
19. A method according to any one of claims 15 to 18, which comprises leaving the monomolecular film on the surface of the hollow fiber after crosslinking, and optionally carrying out the coating and crosslinking a plurality of times. 20 Hydrophobic hollow fibers or bundles thereof with pore walls are first introduced into an aqueous phase, and then a monomolecular film is spread on the surface of the aqueous phase or at the interface between the aqueous phase and an immiscible liquid phase. Then, the hollow fiber or a bundle thereof is taken out from the phase interface under constant spreading and pressure so that the hollow fiber surface is hydrophilically crosslinked with the monomolecular film, and if necessary, this coating and crosslinking are performed multiple times. Method according to scope item 19.
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